Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2019

05 Sehr geehrte Damen und Herren Dear Ladies and Gentlemen Die öffentlichen Diskussionen zum Klimaschutz im vergangenen Jahr zeigen die Notwendigkeit von langfristigen Lösungen für den Luftverkehr von morgen. Im Rahmen des vierten internatio- nalen wissenschaftlichen Symposiums haben rund 200 namhafte Experten aus Industrie, Politik und Forschung über anderthalb Tage radikale Technologien und Ansätze diskutiert, welche die Klimawirkung des Luftverkehrs aktiv und vor allem positiv beein- flussen können. Hierbei wurden die Optionen – vor dem Hinter- grund der ambitionierten Flightpath-2050-Ziele – mittels techni- scher, wirtschaftlicher und regulatorischer Kriterien auf ihre Eignung bewertet. Ein wichtiger Bestandteil einer langfristigen Energiestrategie für die Luftfahrt ist die Umstellung von fossilen auf erneuerbare Kraftstoffe. Im vergangenen Jahr gelang innerhalb des Projektes SUN-to-LIQUID erstmals die Herstellung von solarem Kerosin aus Sonnenlicht, Wasser und CO2 unter realen Bedingungen. Als Projektkoordinator war das Bauhaus Luftfahrt an diesem zukunftsweisenden Fortschritt in solarer Kraftstofftechnologie maßgebend beteiligt. Der von der ETH Zürich entwickelte solar- thermochemische Reaktor wurde erstmalig hinsichtlich einer industriellen Kraftstoffproduktion validiert. Die Demonstration dieser Technologie wird große Auswirkungen auf den Transport- sektor und im Speziellen auf die Luftfahrt haben, die auf langen Strecken weiterhin auf flüssige Kraftstoffe angewiesen bleibt. Als Ideenschmiede und Impulsgenerator für Fachwelt, Öffentlichkeit und Politik nimmt das Bauhaus Luftfahrt eine wichtige Vorreiterrolle ein, unter anderem bei der Bewertung externer Effekte auf die langfristige Entwicklung des Luftver- kehrs. Dank seiner interdisziplinären Struktur kann der Think- tank für die Luftfahrt sowohl technologische als auch sozio- ökonomische Treiber identifizieren und deren Wirkung auf den Luftverkehr umfassend evaluieren. Eine Rolle, die gerade heute immer wichtiger zur Identifikation von Handlungsfel- dern wird. Das vorliegende Jahrbuch widmet sich diesen Herausfor- derungen der Luftfahrt und zeigt Impulse und mögliche Hand- lungsoptionen auf. Ich wünsche Ihnen viel Freude beim Lesen dieses besonderen Jahrbuches! The public discussions on climate protection last year show the need for long-term solutions for tomorrow’s air trafﬁc. During the fourth international scientiﬁc sympo- sium, around 200 renowned experts from industry, poli- tics, and research spent one and a half days discussing radical technologies and approaches that can actively and, above all, positively inﬂuence the climate impact of aviation. In doing so, the options were evaluated for their suitability – against the background of the ambitious goals of the Flightpath 2050 – using technical, economic, and regulatory criteria. An important component of a long-term energy strat- egy for aviation is the transition from fossil to renewable fuels. Last year, the SUN-to-LIQUID project succeeded in producing the ﬁrst solar kerosene from sunlight, water, and CO2 under real ﬁeld conditions. As project coordina- tor, Bauhaus Luftfahrt played a key role in this forward- looking breakthrough in solar fuel technology. The solar- thermochemical reactor developed by ETH Zurich was experimentally validated for the ﬁrst time with regard to industrial fuel production. The demonstration of this tech- nology will have important implications for the transpor- tation sectors, especially for aviation, which will remain strongly dependent on drop-in liquid fuels over long dis- tances. As a think tank and impulse generator for experts, the public, and politicians, Bauhaus Luftfahrt is playing a key pioneering role, including in the assessment of exter- nal effects on the long-term development of air trafﬁc. Due to its interdisciplinary structure, the think tank is able to identify both technological and socioeconomic drivers for aviation as well as comprehensively evaluate their impact on air trafﬁc. A role that is becoming increasingly important, especially today, in identifying ﬁelds of action. This Yearbook is devoted to these challenges of aviation and shows impulses and potential options for action. I hope you enjoy reading this special Yearbook! Ihr Axel Flaig Your Axel Flaig

0707 Liebe Luftfahrtbegeisterte Dear Aviation Enthusiasts Als Zukunftsforscher werden wir immer wieder gefragt: „Wann sehen wir radikal neue Flugzeuge im Luftverkehr?“ Nur, was macht eine Lösung radikal? Muss dafür ein Flugzeug in der Zukunft vollständig anders aussehen? Die größte Herausforderung der Luftfahrt ist es, ein über acht Dekaden optimiertes System so umzubauen, dass es öko- logisch nachhaltig wird und auch ökonomisch bleibt. Und dies vor einer global stetig wachsenden Nachfrage nach Mobilität. Hierfür wird ein enges Zusammenspiel zwischen bestehenden Lösungen und neuartigen Konzepten und Technologien not- wendig sein. As futurists, we are quite frequently asked: “When will we see radically new aircraft in aviation?” But, what makes a solution radical? Is it necessary to have an aircraft, which looks completely different than today? The biggest challenge for aviation is to transform our air transport system, which has been optimised over eight decades, in a way that it becomes ecologically sustainable while staying economically viable. And this in front of an increasing demand for mobility. This will require a tight interplay between existing solutions and novel concepts and technologies. Während in den letzten Jahren die Frage nach einer stär- Electriﬁcation being in the focus of research over the keren Elektrifizierung im Vordergrund der Forschung stand, wissen wir heute über die technologischen Optionen in diesem Bereich viel mehr. Wir können absehen, dass sich die wesent- lichen Potenziale des elektrischen bzw. hybrid-elektrischen Fliegens eher in kleineren Flugzeugen und auf kurzen Strecken realisieren lassen, während diese Technologien auf größeren Reichweiten eine Option mit Effizienzverbesserungen ver- gleichbar mit Verbesserungen in der Aerodynamik oder dem Leichtbau darstellen. Auf der Suche nach radikalen Lösungen hat sich das inter- disziplinäre Forscherteam in 2019 im Rahmen eines Gruppen- designprojektes intensiv mit dem Luftverkehr auf der Lang- strecke beschäftigt, einem Segment, welches originär nur vom Luftverkehr abgedeckt werden kann. Nach einer sehr inten- siven Analyse des heutigen Status quo wurde neben neuen Betriebs- und Betreibermodellen und dem Einsatz von Wasser- stoff auch ein angepasstes Flugzeugkonzept mit reduzierter Reisefluggeschwindigkeit entwickelt. Das Team konnte hierbei weitreichende Synergien identifizieren. Diese Ansätze zeigen ein sehr hohes Potenzial, die hochgesteckten Klimaziele bei Sicherstellung der Transportkapazitäten besser zu erreichen als mit einer rein technologischen Weiterentwicklung. Im Sinne der Definition ein radikaler Lösungsansatz für die Luftfahrt, obwohl das Flugzeugkonzept recht konventionell wirkt. Die große Bandbreite der Technologien und Handlungsoptio- nen für die Zukunft der Luftfahrt soll Ihnen mit dem vorliegenden Jahrbuch etwas nähergebracht werden. Wir wünschen Ihnen, liebe Leserin, lieber Leser, bei der Lektüre viel Vergnügen! Ihr Prof. Dr. Mirko Hornung last years, we know quite a bit about the technological options it brings today. We are able to envisage, that the main potential of fully electric or hybrid-electric aircraft would rather be realised on small aircraft for small ranges, while those technologies only offer potentials similar to aerodynamic and structural improvements on longer ranges. On the quest for radical solutions, the interdisciplinary research team of Bauhaus Luftfahrt tackled the long-haul air trafﬁc in their group design project in 2019. Especially this segment is unique for aviation applications. After an intensive assessment of the status quo, new operational and business models have been derived besides the imple- mentation of hydrogen as an energy carrier. Based on this, a novel aircraft concept was derived featuring, among others, also reduced cruise speeds, still enabling similar travel times as today. The team was able to identify signif- icant synergies and could show that the overall approach could enable a far better climate impact than a pure tech- nical evolution. This makes the approach rather radical, despite the aircraft still looking quite conventional. The large bandwidth of technologies and options for the future of aviation shall be brought to you by this Year- book. We wish you, dear readers, insightful impulses; enjoy reading! Your Prof. Dr. Mirko Hornung

08 contents energy technologies & power systems alternative fuels technology radar systems & aircraft technologies operations editorial Vorwort Beiratsvorsitzender Vorwort Vorstand Highlights 2019 Mission 04 06 10 12 Foreword Chairman of the Board Foreword Executive Director Highlights 2019 Mission Zahlen & Fakten 64 Facts & Figures Impressum 80 Imprint the Hy-ShAir concept Operationelle Emissionsreduzierung im Langstreckenverkehr Wasserstoff als Kraftstoff: Bereitstellung und Speicherung Wasserstoffbetriebenes Langstreckenﬂugzeug 16 18 20 Operational Emissions Reduction in Long-haul Trafﬁc Hydrogen as an Alternative Aviation Fuel: Generation and Storage Hydrogen-powered Long-haul Aircraft

09 technology radar & digital transformation Ökonomischer Einﬂuss von SHM auf schadenstolerante Flugzeugstrukturen Zukünftige Materialien für PEM-Brennstoffzellen Maschinelles Lernen für zukünftige Qualitätskontrolle im 3D-Druck Luftfahrt-Ontologie erschließt Unternehmenswissen für Industrie 4.0 24 26 28 30 Economic Impact of SHM on Damagetolerant Aircraft Structures Future Pathways for Materials in PEM Fuel Cells Machine Learning for Future Quality Control in 3D Printing Aviation Ontology Taps into Corporate Knowledge for Industry 4.0 operations Potenzial von Urban Air Mobility für die Metropolregion München Analyse des Marktpotenzials von hybrid-elektrischen Regionalﬂugzeugen Umweltbewusstes Verhalten: Wie sieht die Zukunft für die Luftfahrt aus? 34 36 38 Potential of Urban Air Mobility for the Munich Metropolitan Region Analysis of the Market Potential of Hybrid-electric Regional Aircraft Pro-environmental Behaviour: What Future for Aviation? alternative fuels Nebenprodukte verbessern die Ökobilanz von Algenkraftstoffen Produktionspotenziale für HTL-Kraftstoffe aus Abfall- und Reststoffen Solar-thermochemische Kraftstoffe: Status und Perspektiven Projekt PowerFuel: Strombasierte Kraftstoffe aus Wasser und CO2 42 44 46 48 By-products Can Boost the Greenhouse Gas Balance of Algae Fuel Production Potential for HTL Fuels from Waste and Residues Solar-thermochemical Fuels: Status and Perspectives The PowerFuel Project: Electrofuels from Water and CO2 energy technologies & power systems Modellierung radikal neuer thermodynamischer Kreisprozesse Optimalbetrachtungen für das Propulsive-Fuselage-Flugzeugdesign Erste Abschätzung des theoretischen Potenzials von Flugzeugoberﬂächen als Wärmesenke 52 54 56 Developments in Modelling of Radically Advanced Thermodynamic Cycles Optimality Considerations for Propulsive Fuselage Aircraft Design Initial Evaluation of Aircraft Surface Heat Exchanger Potential systems & aircraft technologies Bewertung des Boardingprozesses eines Mittelstreckenﬂugzeuges Potenzial von Brennstoffzellen in elektrischen Subsystemarchitekturen 60 62 Evaluation of the Boarding Process of a Medium-range Aircraft The Potential of Fuel Cells in Electric Subsystem Architectures

11 Diskutierten die Klimawirkungen des Luft- verkehrs (v. l. n. r.): Prof. Dr. Mirko Hornung (Bauhaus Luftfahrt), Prof. Dr. Robert Sausen (DLR), Glenn Llewellyn (Airbus), Dr. Chris Malins (Cerulogy), Dr. Andreas Sizmann (Bauhaus Luftfahrt) und Dominique Kronen- berg (Climeworks). Discussed the climate impacts of aviation (from left to right): Prof. Dr. Mirko Hornung (Bauhaus Luftfahrt), Prof. Dr. Robert Sausen (German Aerospace Center), Glenn Llewellyn (Airbus), Dr. Chris Malins (Cerulogy), Dr. Andreas Sizmann (Bauhaus Luftfahrt), and Dominique Kronenberg (Climeworks). 4th Bauhaus Luftfahrt SYMPOSIUM Das Bauhaus Luftfahrt hat 2019 sein mittlerweile viertes wissenschaftliches Symposium zur langfristigen Entwicklung des Luftverkehrs veranstaltet. Rund 200 Teilnehmer aus 17 Ländern waren der Einladung der renommierten Luftfahrt-Ideenschmiede auf den Ludwig Bölkow Campus bei München gefolgt. Im Atrium der IABG begrüßte Hausherr und IABG-Geschäftsführer Prof. Dr. Rudolf F. Schwarz den Kreis der namhaften Experten aus Industrie, Politik und Forschung. Das Bauhaus-Luftfahrt-Symposium stand im vergangenen Jahr unter dem Thema „Luftfahrtziele über den Flightpath 2050 hinaus“. Während der Plenar- sitzung am ersten Tag präsentierten fünf hochkarätige Redner aus unterschied- lichen Branchen und Institutionen radikale Technologien und Konzepte, mit welchen der Luftverkehr der Zukunft den Klimawandel aktiv und positiv beein- flussen kann. Am zweiten Tag des Symposiums hatten die Anwesenden die Möglichkeit, zwischen jeweils zwei interessanten Sitzungen am Vormittag und am Nachmittag zu wählen. Bauhaus-Luftfahrt-Vorstand Mirko Hornung zog am Ende des zweitägigen Fachforums eine durchweg positive Bilanz: „Neben radikalen technologischen Konzepten wurden im Dialog zwischen den Experten und Teilnehmern des Symposiums intensiv Lösungsansätze für eine ökologisch nachhaltige Luftfahrt diskutiert.“ In 2019, Bauhaus Luftfahrt held its fourth scientiﬁc symposium on the long- term development of aviation. Around 200 participants from 17 countries accepted the invitation of the renowned aviation think tank to attend the Ludwig Bölkow Campus near Munich. In IABG’s atrium, host and IABG Manag- ing Director Prof. Dr. Rudolf F. Schwarz welcomed the circle of renowned experts from industry, politics, and research. Last year’s Bauhaus Luftfahrt Symposium was devoted to the topic “Aviation targets beyond Flightpath 2050“. During the plenary session on the ﬁrst day, ﬁve top-class speakers from various industries and institutions pre- sented radical technologies and concepts with which the aviation of the future can actively and positively impact climate change. On the second day of the symposium, the guests had the opportunity to choose between four interesting sessions in the morning and afternoon. At the end of the two-day expert forum, Bauhaus Luftfahrt Executive Director Mirko Hornung drew a thoroughly positive balance: “In addition to radical technological concepts, solutions for ecologically sustainable aviation were discussed intensively in the dialogue between the experts and participants of the symposium.“

12 mission Über das Bauhaus Luftfahrt Was treibt die Mobilität von morgen? Welche alternativen Energieoptionen werden langfristig für die Luftfahrt zur Verfügung stehen? Welche Antriebs- und Systemtech- nologien werden die Effizienz zukünftiger Flugzeug- entwürfe weiter verbessern, und werden diese zu voll- ständig neuen Designs führen? Welchen Einfluss werden Informationstechnologien auf zukünftige Produkte und deren Entwicklungsprozesse haben? Entlang dieser und weiterer Fragestellungen analysiert das Bauhaus Luftfahrt als Forschungseinrichtung wesentliche Treiber, neue technologische Ansätze sowie innovative Ideen und integriert diese in ganzheitliche Lösungen für die Luftfahrt. Seit mehr als zehn Jahren betrachtet das Bauhaus Luftfahrt im Sinne eines Thinktanks Themen aus sehr unterschiedlichen Blickwinkeln: Die 39 Wissenschaftler mit fachlicher Expertise aus Sozialwissenschaft und Ökonomie, Natur- und Ingenieurwissenschaft sowie Infor- matik identifizieren und bewerten erfolgversprechende Ansätze und entwickeln diese, häufig in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern, als Grund- lage für neue Produktideen und -konzepte weiter. Damit nimmt das Bauhaus Luftfahrt eine wichtige Vorreiterrolle ein – als Ideenschmiede, Forschungseinrichtung und Impulsgenerator für Fachwelt, Öffentlichkeit und Politik. Die Luftverkehrsflotte wird sich allen Prognosen nach bis 2050 verdreifachen. Die Ziele 75 % weniger CO2- Ausstoß, deutlich geringere NOX- und Lärmemissionen gegenüber dem Jahr 2000 sind im „Flightpath 2050“ formuliert. Aus dem Luftverkehrswachstum, den „Flight- path 2050“-Zielen und den langen Produktlebenszyklen von Flugzeugen von bis zu 60 Jahren leitet das Bauhaus Luftfahrt seinen Auftrag ab, über die Grenzen herkömm- licher Technologien und Materialien weit hinauszublicken und neue Aspekte zu betrachten. Dabei sollen und können keine Voraussagen getroffen werden, welches das nächste Produkt sein wird. Die Wissenschaftler erfor- schen vielmehr neue Technologien und Materialien, zeigen deren Relevanz für zukünftige Entwicklungen und schaffen ein Bewusstsein, worin die Potenziale für die Luftfahrt liegen. Die so gewonnenen Erkenntnisse liefern zahlreiche Denk- und Diskussionsanstöße – und das außerhalb der vorhandenen konventionellen Forschungs- und Entwicklungslandschaft. Die Herangehensweise, zunächst eine Idee in einem interdisziplinären kreativen Prozess entstehen zu lassen und diese anschließend auf ihre Anwendbarkeit wissenschaftlich zu überprüfen, macht das Bauhaus Luftfahrt als Forschungseinrichtung einzigartig in Deutschland und Europa. Gegründet wurde der Bauhaus Luftfahrt e. V. im November 2005 von den drei Luft- und Raumfahrtunter- nehmen Airbus, Liebherr-Aerospace und MTU Aero Engines sowie dem Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie. Namens- gebend war das Staatliche Bauhaus, die fachübergreifen- de Kunst-, Design- und Architekturschule von Walter Gropius im Weimar und Dessau der 1920er-Jahre. Seit 2012 ergänzt die IABG Industrieanlagen-Betriebsgesell- schaft den Kreis namhafter Industriepartner. Das Bauhaus Luftfahrt ist seit 2015 auf dem Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen bei München angesiedelt, dessen Gründungs- partner es ist.

13 energy technologies & power systems alternative fuels technology radar systems & aircraft technologies operations About Bauhaus Luftfahrt What drives the mobility of tomorrow? What alternative energy options will be available for aviation in the long term? Which power and system technologies will further improve the efﬁciency of future aircraft concepts, and will these lead to completely new designs? What impact will information technologies have on future products and their development processes? In light of these and other questions, as a research institution, Bauhaus Luftfahrt analyses major driving forces, new technologi- cal approaches, and innovative ideas and integrates them into holistic solutions for aviation. For more than a decade, Bauhaus Luftfahrt is studying topics from very different perspectives in the sense of a think tank: The 39 scientists with professional expertise in their ﬁelds of social sciences and economics, nature and engineering sciences as well as informatics identify and assess promising approaches and develop them, frequently in collaboration with national and international partners, as a basis for new product ideas and concepts. Bauhaus Luftfahrt is thereby playing a key pioneering role – as a think tank, a research institution, and an impulse generator for experts, the public, and politicians. According to all forecasts, the civil aviation ﬂeet will triple by 2050. The goals of 75 % less CO2 emissions, considerably reduced NOx emissions and noise compared to 2000 are expressed in Flightpath 2050. From the growth in air trafﬁc, the Flightpath 2050 goals, and the long product life cycles of aircraft of up to 60 years, Bauhaus Luftfahrt derives its task of going far beyond the boundaries of conventional technologies and materials and of studying new aspects. Here, no predic- tions can or should be made on what the next product will be. Instead, scientists are searching for new tech- nologies and materials, showing their relevance for future developments, and raising awareness of wherein the potential for aviation lies. The knowledge gained in this way offers numerous incentives to think differently and participate in discussions – and all of that is outside the existing conventional research and development landscape. The approach, to ﬁrst let an idea arise in an interdisciplinary creative process and then check it in a scientiﬁcally sound manner for its applicability, makes Bauhaus Luftfahrt unique as a research institution in Germany and Europe. Bauhaus Luftfahrt e. V. was founded in November 2005 by the three aerospace companies Airbus, Liebherr-Aerospace and MTU Aero Engines as well as the Bavarian Ministry of Economic Affairs, Regional Development and Energy. The source of the name was Staatliches Bauhaus, the interdisciplinary art, design, and architecture school by Walter Gropius in the Weimar and Dessau of the 1920s. Since 2012, IABG Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft has rounded out the circle of renowned industrial partners. Since 2015, Bauhaus Luftfahrt has been based on Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen near Munich, whose founding partner it is.

15 Die Zukunft der Langstrecke neu denken. Wie können wir die Luftfahrt fit für die Zukunft machen? Das interdisziplinäre Team am Bauhaus Luftfahrt führt in regelmäßigen Abständen interne Gruppendesignprojekte zu dieser Frage durch. Im Jahr 2019 hat sich das Team im letzten Gruppendesignprojekt Hy-ShAir mit operationellen und technischen Innovationen auf dem Langstreckenmarkt befasst, die zur Emissionsreduktion in diesem Sektor beitragen können. Ein ganzheitlicher Ansatz und Umdenken sind notwendig, um den ökologischen Fußabdruck zu verringern, Flugzeuge besser zu nutzen und ein angenehmeres Reiseerlebnis für Passagiere zu ermöglichen. Dieses hat zu folgenden Fragen im Rahmen des Projektes geführt: (i) Mit welchen Änderungen des heutigen operationellen Netzwerkes von Airlines kann das Langstreckennetz efﬁzienter gestaltet werden? (ii) Welche Energiequelle ist eine gute Alternative zu fossilen Kraftstoffen und kann einen deutlichen Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen leisten? (iii) Welche Implikationen entstehen hieraus für das zukünftige Flugzeug- und Kabinendesign? Re-thinking the future of long-haul aviation. How can we make aviation ready for the future? The interdisciplinary team at Bauhaus Luftfahrt carries out internal group design projects on this issue at regular intervals. Focusing on aviation’s contribution to reducing overall emissions, the 2019 group design project Hy-ShAir dealt with the long-haul air transport market, incorporating both operational and technical innovations. A holistic approach is required to re-think the future aviation sector, to reduce the ecological footprint, use aircraft in a better way, and make a long-distance trip more enjoyable for passengers, thus raising the following questions in the project: (i) What can we change about today’s operational structure in the airline sector in order to increase the efﬁciency of the long-distance network? (ii) What energy source is a good alternative for today’s fossil fuels and to reduce CO2 emissions signiﬁcantly? (iii) What do a new aircraft and cabin look like if we integrate new fuel options and a new operational structure?

16 the Hy-ShAir concept Operationelle Emissionsreduzierung im Langstreckenverkehr Der Beitrag der Luftfahrt zur Verringerung von Treib- hausgasemissionen ist derzeit Gegenstand intensi- ver Diskussionen. Neben technischen Innovationen bieten eine verbesserte Nutzung vorhandener Trans- portkapazitäten sowie gesteigerte operationelle Effizienz die Möglichkeit, Emissionen auf Flotten- ebene zu reduzieren. Während nur ein Zehntel der Passagiere auf Strecken mit mehr als 3500 km reist, verantwortet dieses Segment 35 % bis 40 % des gesamten Kraftstoffverbrauchs. Der Anteil von Umsteigeverbindungen beträgt hier über 60 %, längere Reisezeiten für Passagiere sind die Folge. Im Rahmen des Gruppendesignprojektes hat sich ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern am Bauhaus Luftfahrt mit dem Konzept einer offe- nen „Seat Exchange Platform“ befasst – „ShAir- line“. Hierbei wird das klassische Airline-Flugzeug- Besitzverhältnis aufgelöst, einzelne Sitzplätze werden von Anbietern aus unterschiedlichen Bran- chen geleast und den Passagieren angeboten. Durch die Bündelung der Nachfrage zwischen zwei Flughä- fen durch Transportanbieter werden überschüssige Kapazitäten vermieden und mehr Direktverbindun- gen ermöglicht. Diese reduzieren Abweichungen von der optimalen Strecke und verkürzen somit die zurückgelegte Distanz im Vergleich zu Umsteigever- bindungen. Wegfallende Zwischenlandungen kön- nen in geringere Reisegeschwindigkeiten übersetzt werden, ohne Auswirkung auf die Reisezeit des Passagiers. Die daraus resultierenden Veränderun- gen des Netzwerkes sowie von Geschäftsmodellen können signifikant zu einer Emissionsreduktion bei- tragen und sind Bestandteil zukünftiger Forschung am Bauhaus Luftfahrt. Operational Emissions Reduction in Long-haul Trafﬁc The contribution of aviation to reduce greenhouse gas emissions is currently the subject of intense discussions. In addition to technical innovations, an improved use of existing transport capacities and increased operational efﬁciency offer the possi- bility of reducing emissions at ﬂeet level. While only one tenth of passengers travel on routes exceeding 3500 km, this segment accounts for 35 % to 40 % of total fuel consumption. The share of connecting ﬂights in this segment is over 60 %, resulting in longer travel times for passengers. As part of the group design project, an interdisciplinary team of scientists at Bauhaus Luftfahrt worked on the concept of an open “Seat Exchange Platform” – “ShAirline”. This involves dissolving the classic airline-aircraft ownership relationship, with individ- ual seats being leased by vendors from various industries and then offered to passengers. By bundling demand between two airports through transport providers, surplus capacity is avoided and more direct connections are made possible. This reduces deviations from the optimal route and thus shortens the distance covered compared to transfer connections. Omitted stopovers can be translated into lower travel speeds without affecting the passengers’ travel time. The resulting changes to the network and business models can contribute signi- ﬁcantly to reducing emissions and are part of future research at Bauhaus Luftfahrt. Langstreckenﬂüge sind häuﬁg durch Hin- und Rückﬂüge zu einer speziﬁschen Destination bestimmt – lange, ungenutzte Standzeiten sind die Folge. Long-haul ﬂights are often deﬁned by outward and return ﬂights to a speciﬁc destination – long, unused downtimes are the result.

17 Number of passengers > 0 > 500,000 > 1,000,000 > 1,500,000 > 2,000,000 > 2,500,000 Number of stops One-stop Two-stop Three-stop Average deviation of travelled distance from great circle distance On routes from airport with over 1000 long-haul departures in 2017 80 ] % [ e c n a t s i d e l c r i c t a e r g m o r f n o i t a i v e D 60 40 20 0 5000 7500 10,000 Great circle distance [km] Data source: Sabre Corporation Streckenlängenabweichung von Flügen mit Zwischenlandungen Ein Großteil der Passagiere auf der Langstrecke muss mindestens einmal umsteigen, um an das finale Ziel zu gelangen. Dies führt zu Abweichungen von der optimalen Route sowie Wartezeiten für die Passagiere am Boden. Stage length deviation of ﬂights with intermediate stops A high share of passengers change ﬂights at an intermediate stop to get to the ﬁnal destination, causing deviations from the optimal route as well as on-ground waiting times for passengers. Das „ShAirline“-Konzept, umgesetzt auf Flugzeugebene Das „ShAirline“-Konzept fördert die Beteiligung Dritter an der Erbringung von Dienstleistungen für die Passagiere während des Fluges. Ein Unterdeck und größere Frachtcontainer können leicht ausgetauscht werden, um den Passagieren während des Fluges zusätzliche Angebote zu ermög- lichen. Origin and destination, Passenger defines trip Passenger-centric characteristics: time, amenities journey Aircraft fleet composition Aircraft fleet is scheduled according to demand on route level and rotates globally The “ShAirline” concept, implemented on aircraft level The “ShAirline” concept fosters the involve- ment of third parties in providing services for passengers during the ﬂight; lower-deck and larger-than-today cargo containers can be swapped easily in order to provide additional offers for passengers during the ﬂight. Extra services in lower deck cargo compartment Stakeholders such as hotels, cafes, restaurants, entertainment, and amenities can lease cargo space to provide services on board Dr. Annika Paul Lead Operations Viele Diskussionen im Luftfahrtbereich konzentrieren sich darauf, wie Emissionen in diesem Sektor signifikant reduziert werden können. Die Kombination verschiedener operationeller und technologischer Hebel leistet hierzu einen entschei- denden Beitrag. Ein Umdenken der heutigen Netzwerkstruktur kann geflogene Umwege einsparen und somit Emissionen reduzieren. Hierfür sind Anpassungen der Routenplanung von Fluggesellschaften, digitale Plattformen für die Einführung neuer Geschäfts- möglichkeiten oder neuartige Flugzeug- und Kabinenkonzepte erforderlich. Das Aufbrechen bestehender Strukturen hört sich gewagt an, aber nur so können Veränderungen in dieser Industrie umgesetzt werden. Aviation stakeholders are involved in ongoing discussions how the carbon footprint of this industry can be signiﬁcantly reduced. Different operational and technological levers, considered holistically, can yield an essential decline in emissions. Rethinking the current network structure to reduce detours and hence emissions is one area which requires an adjust- ment of airline routing, the introduction of new digital platforms as enablers for innovative business opportunities, or novel aircraft and cabin design. Breaking up established structures may sound bold, but will bring forward the changes we need in this speciﬁc industry. SEATEXCHANGEPLATFORM

18 the Hy-ShAir concept Wasserstoff als Kraftstoff: Bereitstellung und Speicherung Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse zählt mittlerweile zu den kostengünstigsten Metho- den, erneuerbare Energieträger zu gewinnen. Eine Analyse geeigneter Speicheroptionen für die Luft- fahrt zeigt, dass für Langstreckenflugzeuge, wie sie im Rahmen von Hy-ShAir betrachtet werden, kryo- gene Tanksysteme für flüssigen Wasserstoff (LH2) am vielversprechendsten sind. In einem zukünftigen Szenario mit erneuerbarem Wasserstoff im globalen Energiesystem dient die Power-to-Liquid-Synthese von Kerosin aus H2 und CO2 als Referenzfall. Die Produktion von LH2 kann deutlich effizienter und kostengünstiger sein, da kein CO2 benötigt wird, Prozessschritte entfallen und kaum Koppelprodukte entstehen. Diese Vorteile überwiegen die höheren Kosten und Verluste ent- lang einer repräsentativen LH2-Versorgungskette. Die energieintensive Verflüssigung zur Bereitstel- lung von LH2 sollte direkt am Standort der Wasser- elektrolyse stattfinden, da dort erneuerbarer Strom kostengünstig zur Verfügung steht. Auf dem Seeweg erfolgt die Logistik über LH2-Tankschiffe, auf dem Landweg kommen Tankwagen zum Einsatz. Somit könnte LH2 an allen großen Flughäfen kostengünstig bereitgestellt werden. Für die beste Speicheroption von Wasserstoff an Bord von Flugzeugen mit großer Reichweite ist die spezifische Energie von LH2 mit Kryotank ent- scheidend. Um das Gewicht und die aerodynami- schen Nachteile aufgrund der erforderlichen großen Kryotanks zu minimieren, wurden verschiedene Tankoptionen, in Form und Einbauort, im Hyliner- Flugzeugentwurf untersucht, wobei aus Sicherheits- gründen mindestens zwei Tanks erforderlich sind. Die resultierende spezifische Energie einschließlich des Tanks ist um den Faktor 2,3 größer als im Fall von Kerosin. Dies verringert die Abflugmasse. Zudem überwiegen die ökologischen Vorteile des Gesamtsystems. Electrolysis Liquefaction Storage & logistics Energieverhältnisse bei der Bereit- stellung von erneuerbarem Wasserstoff Energy relations for the supply of renewable hydrogen Hydrogen as an Alternative Aviation Fuel: Generation and Storage Hydrogen production via water electrolysis has evolved into one of the most cost-effective methods to generate renewable energy carriers. In aviation, an analysis of suitable storage options shows that cryogenic tank systems for liquid hydrogen (LH2) are most promising for long-haul aircraft, such as those considered in the Hy-ShAir project. In a future deep decarbonisation scenario, the power-to-liquid (PtL) synthesis of renewable jet fuel serves as a reference case. The production of liquid hydrogen can be signiﬁcantly more efﬁcient and less costly than the PtL reference case as no CO2 is needed, less process steps are required, and no major by-product streams are generated. These advantages can overcompensate the higher cost and the boil-off losses along a representative LH2 supply chain. It is preferable to perform the energy intensive liquefaction step at the location of the electrolysis plant where renewable electricity is available at low cost. The logistics chain assumes transport by sea via LH2 carriers and LH2 trailers for inland transport. In this way, it is possible to supply all major airports with LH2 at reasonable cost. For the best storage option of hydrogen on board long-range aircraft, the speciﬁc energy of LH2 including the cryotank is crucial. In order to mini- mise the weight and aerodynamic penalties due to the large tanks required, different tank options, in shape and location, have been investigated in the Hyliner aircraft design where a minimum of two tanks are required for safety reasons. The resulting speciﬁc energy including the tank weight is 2.3 times higher compared to a kerosene system. On the one hand, this solution reduces the take-off mass, and on the other hand, potential penalties are outweighed by the ecological advantages of the overall system.

19 10 1 0.1 Liquid hydrogen Non-vacuum isolated Liquid hydrogen Vacuum isolated Cryo-compressed hydrogen Vacuum isolated Compressed gaseous hydrogen Type-4 pressure vessel o i t a r t h g i e w k n a t - o t - n e g o r d y H k n a t - g k / 2 H - g k n i 0.01 0 10 100 1000 10,000 100,000 Hydrogen weight in kg J M / q e - 2 O C - g n i s n o i s s i m e G H G c i f i c e p S 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 329 Conventional jet fuel HEFA / jatropha BtL / eucalyptus HEFA / microalgae 8.43 HEFA / yellow grease HTL / forestry residues LH2 BtL / municipal solid waste HEFA / used cooking oil HEFA / camelina BtL / poplar PtL StL BtL / forestry residues 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Minimum fuel selling price* in EUR/L [*for LH2: per kerosene equivalent] BtL: Biomass to liquid HEFA: Hydroprocessed esters and fatty acids HTL: Hydrothermal liquefaction LH2: Liquid hydrogen PtL: Power to liquid StL: Sunlight to liquid Speicheroptionen für Wasserstoff Vergleich verschiedener Speicheroptionen bezogen auf die Wasserstoffmenge und das Tanksystemgewicht Storage options for hydrogen Comparison of different storage options in terms of hydrogen quantity and tank system weight Speziﬁsche Emissionen und Kosten erneuerbarer Drop-in-Kraftstoffe Die Produktion von LH2 ist deutlich effizienter und kostengünstiger als bei PtL-/StL-Kraft- stoffen, da kein CO2 benötigt wird, Prozess- schritte entfallen und wenig Koppelprodukte entstehen. Speciﬁc emissions and potential costs of renewable drop-in fuels The production of LH2 is signiﬁcantly more efﬁcient and cost-effective than for PtL/StL fuels, since no CO2 is required, process steps are omitted, and few by-products are produced. Dr. Holger Kuhn Co-Lead Energy Technologies and Power Systems Die Idee einer Wasserstoffwirtschaft ist älter als 150 Jahre, dennoch ist ihre Vorstellung sehr attraktiv und heutige Technologiebausteine könnten die Vision einer deutlichen Emissionsreduzierung ermöglichen. Der Aufwand für den Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft ist enorm, könnte sich aber in Zukunft durch die Etablierung eines nachhaltigen Kreislaufes mithilfe erneuerbarer Energien auszahlen. Wasserstoff im Straßenverkehr ist von der Produktion bis zum Verbrauch gut verstanden. Die Einführung von Wasserstoff in das Flugzeug ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Mehrere Studien erörtern die wichtigsten Designkriterien, bei denen das zusätzliche Volumen und neue Technologien gegenüber emissionsfreiem Betrieb und Bodenprozessen abgewogen werden. Es ist eine Chance! The idea of a hydrogen economy is older than 150 years, nevertheless its conception is still appealing and today’s technology bricks could enable the vision of signiﬁcant emissions reduction. The effort for a transition to a hydrogen economy is enormous, but may pay off in the future by establishing a permanent cycle with the help of renewable sources. Hydrogen as a fuel for ground transportation is well understood from production to consumption. Introducing hydrogen into the aircraft is a challenging task. Several studies discuss the key design criteria balancing the extra volume and new technologies against the emissions-free operation and ground procedures. It is a chance!

20 the Hy-ShAir concept Wasserstoff- betriebenes Lang- streckenﬂugzeug Der Entwurf eines Langstreckenflugzeuges im Rahmen des Gruppendesignprojektes ist stark von den operationellen Veränderungen sowie der Wahl des Energieträgers beeinflusst. Eine Absenkung der Fluggeschwindigkeit auf Mach 0.7 ermöglicht eine deutliche Energieeinsparung, gleichzeitig soll die Produktivität durch eine Kapazität von 400 Passagie- ren auf vergleichbarem Niveau gehalten werden. Die Netzwerkstruktur wird so verändert, dass zeit- gleich geplante Flüge zusammengelegt werden, wodurch die Auslastung verbessert wird. Der Aus- bau der Direktverbindungen hilft, die Gesamtreise- zeit der Passagiere trotzdem nicht steigen zu lassen. Für das resultierende Flugzeugkonzept Hyliner (2.0) wird Flüssigwasserstoff (LH2) als Energieträger gewählt, welcher in Gasturbinen verbrannt wird, aber in der Speicherung an Bord ein wesentlich größeres Volumen benötigt (bis zum Faktor 4). Da konventionelle Flügelintegraltanks weder das be- nötigte Speichervolumen besitzen noch die erwei- terten Anforderungen an Wärmeisolierung und Druckfestigkeit erfüllen können, werden Rumpf- tanks verwendet. Ein LH2-Flugzeug kann aufgrund des geringeren Gewichtes trotz größerer Volumina energieäquivalent zu einem konventionellen Flug- zeug selbigen Technologielevels entworfen werden. Im Rahmen des Projektes wird jedoch der Rumpf- querschnitt durch das zusätzliche Platzangebot für den Passagier sowie die Serviceoptionen im dritten, für Passagiere nutzbaren Deck so stark vergrößert, dass der Energieverbrauch um 9 % höher ist. Um diesen Energiemehraufwand zu minimieren, fokus- siert sich die aktuelle Forschung am Bauhaus Luft- fahrt auf die synergetischen Einsparpotenziale. Neben einem Rumpfpropulsor ermöglichen zusätz- lich der tanklose Flügel und die niedrige Flugmach- zahl die Nutzung neuer Technologien, z. B. eines Laminarflügels hoher Streckung. Bauhaus Luftfahrts Hyliner-(2.0)-Flugzeug mit einem Flügel hoher Streckung und einem Rumpf mit verhältnismäßig großem Durch- messer inklusive LH2-Tanks Bauhaus Luftfahrt‘s Hyliner (2.0) aircraft with a high aspect ratio wing and a fuselage with relatively large diameter including LH2 tanks Hydrogen-powered Long-haul Aircraft The design of a long-range aircraft in the group design project is strongly inﬂuenced by operational changes as well as the choice of energy source. Setting the airspeed to Mach 0.7 allows for signiﬁ- cant energy savings, while increasing the capacity to 400 passengers permits to keep productivity at the same level. Through the modiﬁcation of the network structure, parallel ﬂights are combined leading to an improved utilisation. The increase in direct connections helps not to expand total travel times for the passenger. For the resulting aircraft concept Hyliner (2.0), liquid hydrogen (LH2) is chosen as the energy source, which is burned in gas turbines, but requires signiﬁcantly larger volumes on board for storage (up to four times). Since conventional wing tanks neither have the required storage volume nor can meet the extended requirements for thermal insulation and compressive strength, fuselage tanks are used. Such a LH2 aircraft can, due to its reduced weight despite the higher volumes, be designed energy- equivalent to a conventional aircraft of the same technology level. As part of the project, the fuse- lage size is enlarged by the extra space and the service options of a third, passenger-friendly deck, leading to an increase in energy consumption of 9 %. In order to minimise this additional energy expenditure, current research at Bauhaus Luftfahrt is focusing on the synergistic saving potentials. Beside a fuselage propulsor, these are the tank- less wing and the low ﬂight Mach number, which allow the use of new technologies, e.g., a laminar wing with high aspect ratio.

21 Wasserstoffﬂugzeug mit Rumpfpropulsor Durch die vergrößerte Rumpfoberfläche eines Wasserstoffflugzeuges ergibt sich ein synergetisches Einsparpotenzial bei Anwendung eines Rumpfpropulsors. Hydrogen aircraft with propulsive fuselage Due to the enlarged fuselage surface of a hydrogen aircraft, there is a synergetic savings potential when using a propulsive fuselage. Emissionen Abschätzung der Emissionen des LH2-Flugzeuges (cruise @Mach 0.7) im Vergleich zu einem fortschrittlichen konventionellen Referenzflugzeug (cruise @Mach 0.82) Emissions Estimation of the emissions of the LH2 aircraft (cruise @Mach 0.7) compared to advanced conventional reference aircraft (cruise @Mach 0.82) Emissions CO2 (local) SOX NOX Soot H2O -100 % -80 % -60 % -40 % -20 % 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % Change in emissions LH2 vs. reference aircraft (2040) in % Dr. Jochen Kaiser Head of Visionary Aircraft Concepts Wasserstoff als Energieträger in Verkehrsflugzeugen ist keine revolutionär neue Idee und auch der Flugzeugentwurf erscheint in der ersten Betrachtung vielleicht nicht übermäßig radikal. In der Kombination mit verschiedenen Techno- logien kann Wasserstoff aber gerade auf der Langstrecke die gewünschte Reduzierung der Emissionen ermöglichen. Neben diesem positiven Beitrag würde die Einführung von Wasserstoff zusätzlich deutliche Auswirkungen auf die Versorgungsinfra- struktur zur Erzeugung und Verteilung des Kraftstoffes haben, die dann in ihrer Gesamtheit einen revolutionären Schritt in der Luftfahrt darstellen würden. Hydrogen as an energy carrier in commercial aircraft is not a revolutionary new idea, and even the aircraft design may not seem particularly radical at ﬁrst glance. In combination with various technologies, however, hydrogen can enable the desired reduction in emissions, especially on long-haul routes. In addition to this positive contribution, the introduction of hydrogen would also have a signiﬁcant impact on the supply infrastructure for fuel production and distribution, which in its entirety would then represent a revolutionary step in aviation.

23 The early detection of disruptive techno- logies, of their ultimate physical per- formance capability and of the digital transformation potential is the key to long-term, sustainable innovations in aviation. The “Technology Radar” of Bauhaus Luftfahrt acts as an antenna for step-change technological advance- ments in the domains of energy, materials, photonics, sensors, and information. In order to analyse future technologies quantitatively, a specially developed method based on scientiﬁc principles is used. The potential of “Digital Transfor- mation” is researched along the value chain and in the context of new business models using a transdisciplinary, socio- technological, and systemic approach. The technological and digital innovation potentials are evaluated at different levels of complexity and enable the development of sound overall future concepts. Die Früherkennung von disruptiven Techno- logien, deren physikalischer Leitplanken sowie des digitalen Veränderungspoten- zials ist der Schlüssel zu langfristigen, nachhaltigen Innovationen in der Luftfahrt. Das „Technologieradar“ des Bauhaus Luftfahrt fungiert als Antenne für Techno- logiesprünge in den Domänen Energie, Materialien, Photonik, Sensorik und Information. Um Zukunftstechnologien quantitativ zu analysieren, wird eine eigens entwickelte, auf naturwissenschaftliche Prinzipien gestützte Methodik angewandt. Die Potenziale der „Digitalen Transforma- tion“ werden entlang der Wertschöpfungs- kette und im Kontext neuer Geschäfts- modelle durch eine transdisziplinäre, soziotechnologische und systemische Herangehensweise erforscht. Die techno- logischen und digitalen Innovationspoten- ziale werden so auf unterschiedlichen Komplexitätsebenen bewertet und ermöglichen die Entwicklung stimmiger Zukunftskonzepte.

24 technology radar & digital transformation Ökonomischer Einﬂuss von SHM auf schadens- tolerante Flugzeug- strukturen Technologien zur kontinuierlichen Strukturüberwa- chung („Structural Health Monitoring“, kurz SHM) können detaillierte Kenntnisse über den Zustand von Flugzeugstrukturen liefern. Potenziale in den Bereichen Gewichtsreduktion, Instandhaltung und Lebenszeitverlängerung sind komplex zu bewerten, und verfügbare Studien zu Kostenvorteilen lassen noch keine eindeutigen Aussagen zu. Im Rahmen des LuFo-Projektes STRUBATEX wird in einer integrierten techno-ökonomischen Lebenszyklusbetrachtung SHM auf einer einheitli- chen Basis bewertet. Sensorcharakteristiken, ope- rationelle Aspekte, Instandhaltungsanforderungen sowie Struktureigenschaften werden über den gesamten Lebenszyklus berücksichtigt. Ermüdungs- anfällige metallische Strukturen mit schadenstole- ranter Auslegung stehen dabei im Zentrum der Betrachtung. Die Strukturermüdung eines Airbus A320-200 wird mit dem Gesetz nach Paris simuliert. Dazu werden Oberfläche, Rippen, Spanten und Holme der Rumpf- und Flügelstruktur in Bleche segmen- tiert. Gewicht und Ermüdungsverhalten sind dabei mittels Luftfahrttechnischem Handbuch und Main- tenance Planning Document kalibriert. Die poten- zielle Gewichtsersparnis bei verschiedenen Last- szenarien während des Betriebes kann hieraus in Abhängigkeit eines optimalen ökonomischen Lebensendes bestimmt werden. Modellbetrachtungen weisen nicht nur auf erhebliche Gewichtseinsparungspotenziale, son- dern auch auf signifikante Lebenszeitverlängerun- gen auf Flugzeugebene hin. In weiterführenden Arbeiten werden neben möglichen Fehldetektionen des Sensorsystems und verpassten Entdeckungen auch Gewichtsbetrachtungen und Flottenaspekte einbezogen. Kombiniert mit der Unsicherheit über vorhandene Materialdefekte wird hiermit der Ein- fluss auf die Ausfallwahrscheinlichkeit der Flug- zeugstruktur berücksichtigt. Strukturwartung macht etwa 20 % der direkten Betriebskosten über das Leben eines Flugzeuges aus. Airframe mainte- nance accounts for about 20 % of direct operating costs over the life of an aircraft. Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20X1737B gefördert. Economic Impact of SHM on Damage- tolerant Aircraft Structures Technologies for continuous structural health monitoring (SHM) may provide detailed knowledge about the condition of aircraft structures. Poten- tials in the areas of weight reduction, mainte- nance, and life-time extension are complex to evaluate, and available studies on cost advantages still do not ﬁnd consistent results. Within the scope of the STRUBATEX LuFo pro- ject, SHM is evaluated on a uniform basis in an integrated techno-economic life-cycle analysis. Sensor characteristics, operational aspects, main- tenance requirements, and structural properties are considered over the entire life cycle. Fatigue- prone metallic structures with damage-tolerant design are in the focus of the analysis. The structural fatigue of an Airbus A320-200 is simulated with the Paris law. For this purpose, the surface, ribs, frames, and spars of the fuselage and wing structure are segmented into sheets. Weight and fatigue behaviour are calibrated using the Aeronautical Engineering Manual and Mainte- nance Planning Document. The potential weight reduction under various load scenarios during operation can be determined from this in relation to an optimal economic end of life. Model studies not only point to considerable weight saving potentials, but also to signiﬁcant life-time extensions at aircraft level. In further work, weight considerations and ﬂeet aspects will be included in addition to potential misdetections of the sensor system as well as missed detections. Combined with the uncertainty about existing material defects, the inﬂuence on the probability of failure of the aircraft structure will be consid- ered.

25 Lebenszykluskosten beeinﬂussen das Potenzial kontinuierlicher Strukturüberwachung Eine kontinuierliche Zustandsüberwachung erhöht die Kenntnis über nutzungsabhängige Strukturschäden und beeinflusst die Restlebensdauer. Dieses Potenzial kann auch dazu genutzt werden, Strukturen a priori leichter auszulegen. Life-cycle costs affect the potential of continuous structural health monitoring Continuous condition monitoring increases the knowledge of usage-dependent structural damages and inﬂuences the remaining service life. This potential can also be used to design structures a priori in a lighter way. Life extension Weight saving t s o c l a u n n A Planned structural retirement Economic retirement t s o c l a u n n A Economic retirement Planned structural retirement 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 Year Year Cost of ownership (COO) Direct operating cost (DOC) Total annual cost (DOC + COO) of replacement at commissioning Aktive Strukturüberwachung ermöglicht genauere Last- und Schädigungsverfolgung SHM kann abhängig vom optimalen ökonomischen Zeitpunkt der Außerdienststellung und der erfahrenen Betriebslasten sowohl die Strukturlebensdauer verlängern als auch Gewichtseinsparungen während der Auslegung ermöglichen. Active structural health monitoring enables more precise load and damage tracking Depending on the optimum economic timing of decommissioning and experienced operating loads, SHM can both extend structural life and provide weight savings during design. ] % [ s g n i v a s t h g i e w l a i t n e t o p l a t o T 30 20 10 0 Translation of smaller anticipated loads into weight saving 1 Translation of smaller loads into longer usage and weight saving 3 Translation of smaller loads into longer usage 2 Expected end of life at design load 0 0.0 Optimal economic retirement 0.5 Deviation from design life time 1.0 Average loads experienced in fleet 1.5 0 1.0 5 0.9 c ti o F r a 0 0.7 5 0.7 d a n l o 0 0.8 s i g e 5 0.8 n o f d

26 technology radar & digital transformation Zukünftige Materialien für PEM- Brennstoffzellen Angesichts zunehmender Umweltverschmutzung und stärker werdender Effekte der Klimaerwär- mung werden auch für den Luftverkehr Antriebs- und Energiespeicheroptionen abseits der Nutzung fossiler Brennstoffe gesucht. Brennstoffzellen bieten dabei eine besonders saubere Form der Energieumwandlung. Unter verschiedenen Syste- men hat sich insbesondere die Polymer-Elektro- lyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) auch für mobile Anwendungen als geeignet herausgestellt. Der effiziente Betrieb bei relativ niedrigen Tempera- turen macht die PEMFC ökonomisch interessant und bietet außerdem den Vorteil von raschen Startphasen. Die geringen Betriebstemperaturen verlangen jedoch die Verwendung von Katalysato- ren, unter denen jene mit einem gewissen Anteil an Platin nach wie vor die effizientesten sind. Neben Langlebigkeit und Stabilität sind es vor allem die hohen Kosten und die Verfügbarkeit dieses Edelmetalles, die problematisch sind, wie eine aktuelle Studie zeigt. Andere Lösungen werden erforscht, darunter Oxide und Nitride von Über- gangsmetallen und graphenbasierte Materialien. Dabei kann Graphen an Anode und Kathode kataly- tisch wirksam sein, indem es den Elektronentrans- fer erleichtert. Gleichzeitig eignet sich Graphen aufgrund der Protonendurchlässigkeit als Membran. Eine solche zweifache Funktion wird in aktuellen Studien untersucht. Das Ausgangsmaterial für Graphen kann Kunststoffabfall sein, der thermisch dissoziiert wird. Die ersten Ergebnisse sind vielver- sprechend, vor allem aber konnte gezeigt werden, dass es auch einfache, umweltfreundliche, kosten- und ressourcengünstige Möglichkeiten gibt, Bestandteile von Brennstoffzellen herzustellen. O2 HO- Die katalytische Wirkung von Graphen ist bereits länger bekannt und ist besonders interessant für die Reduktionsreaktion von Sauerstoff. The electrocatalytic activity of graphene has long been known and is particularly interesting for the reduction reaction of oxygen. Future Pathways for Materials in PEM Fuel Cells In light of increasing environmental pollution and more pronounced effects of global warming, options for propulsion and energy storage beyond the use of fossil fuels are also being sought for aviation. Fuel cells offer a particularly clean form of energy conversion. Among different systems, the Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell in particular has proven to be suitable also for mobile applications. The efﬁcient operation at relatively low temperatures makes the PEM fuel cell economically interesting and offers the advan- tage of rapid start-ups. However, the low operating temperatures require the use of catalysts, among which those with a certain amount of platinum are still the most efﬁcient. In addition to durability and stability, it is foremost the high costs and the availability of this precious metal that are problem- atic, as a recent study shows. Other solutions are being explored, including catalysts with oxides and nitrides of transition metals and graphene-based materials. Graphene can be catalytically active at anode and cathode by facilitating electron transfer. At the same time, graphene is suitable as a mem- brane due to its proton permeability. Such a dual function is set out in current studies. The starting material for graphene can be plastic waste, which is thermally dissociated. The ﬁrst results are prom- ising, but above all, it could be shown that there exist simple, environmentally friendly, cost-effec- tive, and resource-efﬁcient ways of producing con- stituents for fuel cells.

27 ] % [ y l p p u s 7 1 0 2 o t e v i t a l e r d n a m e d m u n i t a l P 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Total platinum supply in 2017 2020 2025 2030 2035 2040 Vergleich des zukünftigen Platinbedarfs mit der Versorgung in 2017 Die breite Verwendung von Katalysatoren und die voraus- sichtliche Zunahme von Brennstoffzellen in Fahrzeugen treiben die Nachfrage nach Platin. Diese nimmt stark zu, wenn Brennstoffzellen in kleinen und mittleren Fluggeräten einbezogen werden. Comparison of future platinum demand with supply in 2017 The extensive use of catalytic converters and the expected growth of fuel cells in road vehicles push the demand for platinum. This demand accelerates when considering fuel cells in small and medium-sized aircraft. Demand of road vehicles, proactive scenario Demand of road vehicles, delayed scenario Demand of air vehicles Beispielhafte Polarisationskurven für PEMFC im H2 /O2-Betrieb In Hellblau sind Standard-Pt-Elektroden dargestellt, Orange wurde mit Fe/N/C-Kathoden und Pt-Anoden erhalten. Die dunkelblaue Kurve zeigt Messungen mit einer Graphen/Fe-Oxid-Membran-Elektrodeneinheit. Representative polarisation curves for PEMFC in H2 /O2 operation In light blue are standard Pt electrodes, orange was obtained with Fe/N/C cathodes and Pt-based anodes. The dark blue curve represents measurements with graphene/ Fe-oxide membrane electrode assembly (MEA). ] V [ e g a t l o v l l e C 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Current density [mA /cm2] Pt/C Fe/N/C Graphene/Fe-oxide MEA

28 technology radar & digital transformation Maschinelles Lernen für zukünftige Qualitäts- kontrolle im 3D-Druck Der 3D-Druck erlaubt, Teile komplexer Geometrie zu fertigen, etwa durch selektives Schmelzen sukzessiver Pulverschichten. Mangelnde Prozess- stabilität kann zu Defekten führen, die nach jetzi- gem Standard erst post factum erkannt werden. Maschinelles Lernen (ML) verspricht, Deskrip- toren für Prozessqualität und -stabilität in Echtzeit aus Sensordaten zu extrahieren, um bei Abwei- chungen einen Auftragsabbruch oder letztlich Korrekturmaßnahmen zu ermöglichen. So könnten angestrebte mechanische Teileeigenschaften mit weniger Ausschuss, Nachbearbeitungs- und Zeit- aufwand erzielt werden. Das Bauhaus Luftfahrt hat hierfür verschiedene Verfahren evaluiert. Riss- und Porenbildung führen z. B. zu messbarer Akustischer Emission (AE). Obwohl die Signale eher schwach und verrauscht sind, erlauben neue Deep-Learning-Ansätze, an- hand distinkter Merkmale verschiedene Porositäts- level zu unterscheiden. Zum Vergleich mit etablier- ten, bildgebenden ex- bzw. in-situ-Verfahren wurde aus dieser ML-Fähigkeit die Detektionswahrschein- lichkeit für mehrere Defektgrößen abgeleitet. Als wichtiger Fortschritt ermöglicht ML demnach, aus AE-Signalen auch kleine Fehlstellen <100 µm zuver- lässig mit vergleichsweise geringen Hardware- kosten zu erkennen. Um gleich auf Irregularitäten reagieren zu können, ist die schnellere Verarbei- tung dieser 1D-Daten im Vergleich zu 2D-Bildern zudem günstig. Ihre Sensitivität auf Dynamik unter der Oberfläche erlaubt sogar, gebildete Poren in der Tiefe zu lokalisieren, etwa als Basis für ihre direkte, laserbasierte Entfernung. Mittels ML- Analyse dabei erzeugter AE-Signale ließe sich der Korrekturerfolg online prüfen. Somit resultieren ML-Potenziale für zuverläs- sige, kostengünstige Echtzeiterkennung und Behe- bung selbst kleiner Mängel im 3D-Druck als Basis für eine zukünftige Qualitätssicherung während der Fertigung. Maschinelles Lernen erlaubt es, durch Mustererkennung in Sensordaten die Prozessqualität im 3D-Druck zu optimieren. Machine learning allows for optimising the process quality in 3D printing through pattern recognition in sensor data. Machine Learning for Future Quality Control in 3D Printing 3D printing allows parts of complex geometry to be produced, e.g. by selective melting of successive powder layers. A lack of process stability can lead to defects that are only recognised post factum according to the current standard. Machine learning (ML) promises to extract descriptors for process quality and stability in real time from in-situ sensor data in order to allow for anomaly-induced build job abortion or ultimately, corrective actions within closed-loop control. Hence, the desired mechanical part properties could be achieved with less waste, post-processing effort, and expenditure of time. Bauhaus Luftfahrt has therefore evaluated various approaches. Cracking and pore formation lead e.g. to measurable acoustic emission (AE). Although the signals are rather weak and noisy, novel Deep Learning approaches allow distinguish- ing different porosity levels by recognising distinct acoustic features. To enable benchmarking against established ex- or in-situ imaging methods, the probability of detection for several defect sizes was derived from this ML capability. As key progress, our results indicate that ML makes it possible to detect reliably even small irregularities <100 µm from AE signals with comparatively low hardware costs. Further, quick reaction to defect on-set is supported by faster processing of this 1D data compared to 2D images. Its sensitivity to dynamics beneath the surface even allows in-depth locali- sation of pores, e.g. as the basis for their direct, laser-based removal. Using ML to interpret the AE signals generated, the success of such corrective actions could be checked online. Hence, our analysis indicates ML potentials for reliable, cost-effective real-time detection and rem- edy of even small defects in 3D printing as the basis for future in-process quality assurance. Koops, L. (2019). Part B: Machine Learning Application Potentials. In Focused Future Technology Analysis (p. 71). Taufkirchen, Germany: Bauhaus Luftfahrt. ID 62192020, D1.2

29 Flussdiagramm des ML-Prozesses Das ML-Modell wird darauf trainiert, akustische Merkmale verschiedener Prozessqualitäten zu unterscheiden. Aus dieser Klassifikationsfähigkeit wurde die Detektionswahrscheinlichkeit für mehrere Defektgrößen abgeleitet. Flow chart of ML process The ML model is trained to differentiate between acoustic features of different process qualities. The probability of detection for several defect sizes was derived from this classiﬁcation capability. AE-sensing for varying processing quality Data acquisition & signal conditioning Time-domain signal Data collection Time-frequency spectrum Feature extraction Data transformation & feature extraction Training data set Testing data set ML algorithm training & testing Training feature classification Output trained ML model Evaluation of classification Estimate of probability of performance detection ML algorithm evaluation Detektionswahrscheinlichkeit für variierende Defektgrößen Das Potenzial, Defekte in-situ mittels Akustischer Emission (AE) zuverlässiger zu erkennen als mit etablierter ex-/in-situ Computer-/Optischer Tomographie (CT/OT), könnte seitens Sensorik, ML und Abstufung untersuchter Qualitätslevel noch erhöht werden. Probability of detection for varying defect sizes The potential of detecting defects in-situ more reliably by using acoustic emission (AE) rather than established ex-/in-situ computer/optical tomography (CT/OT) could be increased on the part of sensors, ML, and gradation of the examined quality level. n o i t c e t e d f o y t i l i b a b o r P 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.05 0.10 0.20 0.15 Defect size [mm] 0.25 0.30 0.35 AE AE 95 % Confidence Interval (C.I.) CT CT 95 % C.I. OT OT 95 % C.I.

30 technology radar & digital transformation Luftfahrt-Ontologie erschließt Unternehmenswissen für Industrie 4.0 Das Projekt EFFPRO_4.0 (2016–2019) hatte die Digitalisierung industrieller Prozesse in der Luft- fahrt zum Thema. Unter anderem stand die Fragestellung im Mittelpunkt, wie semantische Technologien die Wiederverwendung von Unter- nehmenswissen ermöglichen können. Zur Beantwortung dieser Frage entwickelte das Bauhaus Luftfahrt eine Ontologie für einen Empfehlungsdienst-Prototypen, der in einen Text- editor integriert wurde. Der Empfehlungsdienst stellt Wissensarbeitern Verweise auf relevante textuelle Daten (z. B. Konstruktionsbeschreibungen oder Arbeitsnormen) und nicht-textuelle Daten (z. B. Komponentenmodelle) dynamisch, passend zum Inhalt des zu bearbeitenden Dokumentes, zur Verfügung. Die Entwicklung des Prototyps musste zwei Herausforderungen meistern, damit die vorgeschla- genen Verweise die Beachtung der Nutzer fanden: Die Antwortzeit musste der Erwartung der Nutzer entsprechen, und die Verweise mussten aus Nutzer- sicht relevant sein. Zur Lösung der zweiten Heraus- forderung hat das Bauhaus Luftfahrt mit einer Luftfahrt-Ontologie, Methoden zur Abstraktion und Anreicherung der Ontologie und einer Anwendung für semantisches Tagging beigetragen. Im Rahmen einer zweistufigen Evaluierung konnte der Empfehlungsdienst in Bezug auf beide Herausforderungen verbessert und weiterentwickelt werden. Neben einer zufriedenstellenden Antwort- zeit wurde auch erreicht, dass durch die Relevanz der vorgeschlagenen Verweise die Produktivität der Nutzer positiv beeinflusst wurde. Zukünftige Forschung und Entwicklung kann das Konzept durch die Automatisierung der seman- tischen Modellierung und Tagging sowie durch die Transparenz der Vorschläge (Erklärbarkeit) verbes- sern. Actuator Slat_actuator Flap_actuator Flap_ballscrew_ actuator Flap_geared_ rotary_actuator Ontologien model- lieren das Unter- nehmenswissen und werden in Datenintegration und Empfehlungs- auswahl ange- wendet. Ontologies model corporate knowledge and are applied in data integration and recommendation selection. Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20Y1509E gefördert. Aviation Ontology Taps into Corporate Knowledge for Industry 4.0 The project EFFPRO_4.0 (2016–2019) had as objec- tive the digitalisation of industrial processes in aviation. One central research question was the potential of semantic technology for enabling the re-use of corporate knowledge. In order to answer this question, Bauhaus Luft- fahrt developed an ontology for a prototype recom- mendation system that was integrated into a text editor. The system dynamically provides knowledge workers with references to relevant textual data (e.g. design descriptions or work norms) and non- textual data (e.g. component models), correspond- ing to the contents of the document that is being written. The development of the prototype faced two particular challenges in order to make sure that the recommended references would be given serious consideration by the users: The response time had to meet users’ expectations, and the references had to be deemed relevant by the users. To address this second challenge, Bauhaus Luftfahrt contrib- uted with an aviation ontology, with methods for the abstraction and enrichment of the ontology, and with an application for semantic tagging. As part of a two-stage evaluation, the recom- mendation system could be improved relative to the considered challenges and further developed. This made it both possible to achieve acceptable response times and to have a positive impact on users’ productivity because of the relevance of the recommended references. Future research and development will allow to improve the concept by the automation of semantic modelling and tagging as well as by the transpar- ency of the recommendations (explainability).

31 Architektur eines Empfehlungs- dienstes zur Wiederverwendung von Unternehmenswissen Heterogene Daten werden durch semantische Module integriert, sodass ein Benutzer eines Texteditors (End User) dynamisch durch einen Empfehlungs- dienst auf relevante Daten aus verschiedenen Quellen zugreifen kann. Architecture of a recommendation system for the re-use of corporate knowledge Heterogeneous data are integrated by semantic modules, allowing a user of a text editor (end user) to be dynamically referred through a recommendation system to relevant data in different sources. Raw data acquisition Semantic modelling Linguistic semantic integration User interaction Textual data Mapper Sample data Sample data Master spreadsheet DocO-R Documentation ontology reified Individual Abstract Class DocO-A Documentation ontology abstracted Non- textual data DesO-A Design ontology AviO-R Aviation ontology reified Individual Reify Class AviO-A Aviation ontology abstracted Match Ontology-enriched textual data Textual data Textual data import Semantic textual data enrichment Semantic tags Semantic tags Semantic data model integration Integrated data models Data models Data model extraction & management Data base Ontology-based recommendation system prototype Data set Query References to files (textual & non-textual) Text editor Text End user Ontology- enriched data & integrated data models Non-textual data import Evaluierung der Semantik im Empfehlungsdienstprototyp Das Potenzial für semantikbasierte Empfehlungsdienste wird anhand von Methoden zur Bereitstellung der Semantik und Interaktionsprofilen der Nutzer in Kombination mit den hier gezeigten Ergebnissen zur Semantik evaluiert. Evaluation of the semantics in the recommendation system prototype The potential for semantics-based recommendation systems is evaluated based on methods for semantics deployment and user interaction proﬁles in combination with the evaluation of the semantics (shown here). Evaluation of semantic in recommendation system prototype Aspect of semantics in recommendation system View of ontology developer View of system developer Knowledge coverage Detail of model data Lexical variations ok rich ok poor too rich poor View of end user ok too rich n/a Dr. Andreas Sizmann Head of Future Technologies and Ecology of Aviation, Knowledge Management Auf einer neuen Ebene der Wissensverarbeitung sind Computer in der Lage, Bücher zu lesen und zu schreiben und als Experten zu beraten. Ein Wissenschaftsverlag präsentierte in 2019 das erste vollständig computergeschriebene Buch über die Lithium-Ionen-Batterieforschung. Gleichzeitig schaffen digitale Technologien für ihr Funktionieren ein expandierendes „Cyber- Universum“. Durch die Anreicherung der Cyberwelt mit Ontologien, d. h. mit logischen Relationen unserer Welt, verbinden Computer Bedeutung mit Informationen und können Expertenberater werden. Das Bauhaus Luftfahrt erforscht die ontologiebasierte Wissens- verarbeitung, um die zukünftigen Herausforderungen zu antizipieren. We enter a new level of knowledge processing, when computers are smart enough to read and write books and give expert advice. In 2019 a science publisher presented the ﬁrst entirely machine-written book on lithium-ion battery research, motivated by the research information overﬂow. In addition, digital technologies, over their life time, create and cooperate with an ever-expanding “cyber universe”. By enriching the cyber world with ontologies, i.e. logical representations of our world, computers link meaning to information and can become expert advisors. Bauhaus Luftfahrt researches ontology-based knowledge processing in order to anticipate the future challenges.

33 Auf der Basis eines fundierten Verständnisses zukünftiger Szenarien und Trends befasst sich der Forschungsschwerpunkt „Operationelle Aspekte“ mit den veränderten Randbedingungen der Mobilität der Zukunft und den entsprechenden Implikationen für den Luftverkehr. Neben Fragestellungen zu zukünftigen Bedürfnissen von Passagieren, Fluggesellschaften und Flughäfen werden auch neue Prozesse im Betrieb von Flugzeugen untersucht. Vielversprechende Technologien und Ansätze, wie neuartige Transport- konzepte, Betriebsabläufe oder Geschäftsmodelle, werden in das Lufttransportsystem implementiert und ihr Effekt auf operationeller Ebene wie auch im Zusammenspiel eines intermodalen Verkehrs bewertet. Auf dieser Grundlage werden Efﬁzienzpotenziale identiﬁziert und Handlungs- empfehlungen für die unter- schiedlichen Akteure der Luftfahrt formuliert. With a profound understanding of future scenarios and trends impacting aviation, the research focus area “Operations” investigates the implications for air trans- port based on future mobility conditions. Starting from a solid knowledge of the future drivers of the air transport system, research questions concerning future requirements of passengers, airlines, and airports as well as novel processes related to aircraft operation are analysed. Promising technologies and approaches, such as novel intermodal transport concepts, airside operations, or business models, are implemented in the air transport system and evaluated on an operational level. The results identify efﬁciency potentials and hence recommendations for different stake- holders of the air transport system can be given.

34 operations Potenzial von Urban Air Mobility für die Metropolregion München A Für die Metropolregion München mit insgesamt 4,5 Millionen Einwohnern wurden fünf verschie- dene Urban-Air-Mobility-(UAM)-Marktszenarien von konservativ bis progressiv definiert und simuliert, die sich in Anzahl der Vertiports, Fluggeschwindig- keit, Anzahl von Fluggeräten pro Vertiport, Passa- gierprozesszeiten am Boden vor und nach dem Flug sowie Ticketpreisen unterscheiden. Diese fünf Szenarien zeigten, dass UAM die tägliche Mobili- tätssituation im Allgemeinen nicht wesentlich ver- ändern wird, aber das aktuelle Verkehrsangebot durch einen schnellen, flexiblen Verkehrsträger ergänzen könnte. Bei taxiähnlichen Preisen wurde ein Anteil von UAM am modalen Split von knapp 1% errechnet. Erst auf längeren Strecken über 40 km konnten relevante Marktanteile von 3 % und mehr erreicht werden. Als die wichtigsten Treiber für die Nachfrage wurden dabei sowohl der Ticket- preis als auch die Flottengröße identifiziert. Um zukünftig taxiähnliche Preise anbieten zu können, sind sehr hohe Auslastungen der Fluggeräte zu- sammen mit einer möglichst großen Anzahl von Sitzplätzen notwendig. Die Studie hat außerdem gezeigt, dass eine Refinanzierung der Infrastruktur über den Ticketpreis nicht vollständig möglich ist und eine Vielzahl von denkbaren Flugstrecken im direkten Wettbewerb mit dem öffentlichen Perso- nennahverkehr stehen würde. Zudem muss ein Kompromiss zwischen effizientem Direktflug und einem potenziell negativen Einfluss von Lärm und Sichtbarkeit auf die Bevölkerung durch die Flugfüh- rung entlang bestehender Infrastruktur gefunden werden. Von daher sollten die politischen Entschei- dungsträger frühzeitig eingebunden werden und es sollte stärker erforscht werden, wie ein solcher Kompromiss für den UAM-Flugbetrieb unter Berücksichtigung von Ökonomie, Ökologie, Gerech- tigkeit sowie Stadtplanung aussehen könnte. B PT network UAM route PT route Destination point Vertiport Konzepte für die Integration von UAM in den öffentlichen Personennah- verkehr Concepts for integrating UAM into the public transport (PT) system Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bayerischen Staats- ministeriums für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie unter dem Förder- kennzeichen LABAY101A gefördert. Potential of Urban Air Mobility for the Munich Metropolitan Region For the Munich Metropolitan Region with a total of 4.5 million inhabitants, ﬁve different Urban Air Mobility (UAM) market scenarios ranging from conservative to progressive were deﬁned and simulated. The scenarios vary in the number of vertiports, vehicle cruise speed, number of vehicle per vertiport, passenger process times on the ground before and after the ﬂight, and ticket prices. These ﬁve scenarios showed that UAM will gener- ally not signiﬁcantly change the daily mobility situation, but UAM could complement the current transport offer by a fast and ﬂexible transport mode. For prices similar to taxis, UAM’s share of the modal split was calculated to be just under 1%. Only on longer distances over 40 km, relevant market shares of 3 % and more could be achieved. Both ticket price and ﬂeet size were identiﬁed as the main drivers for demand. In order to be able to offer taxi-like prices in the future, very high vehicle load factors combined with the largest possible number of installed seats are necessary. The study also showed that reﬁnancing the infrastructure via the ticket price is not fully possible and that a large number of conceivable ﬂight routes would be in direct competition with local public transport. In addition, a compromise must be found between efﬁcient direct ﬂights and a potentially negative impact of noise and visibility caused by ﬂights along existing infrastructure. Therefore, political decision-makers should be involved at an early stage and more research should be done to ﬁnd such a compromise for UAM ﬂight operations, taking into account economy, ecology, equity, and urban planning.

35 Dietfurt Riedenburg Eichstätt Different vertiport network Low density Medium density High density Ingolstadt Bad Gögging Study area OBUAM Burgheim Flugplatz Ingolstadt Golfclub Neuburg Airbus Bauer AG Dreieck Holledau Hipp, Bhf Pfaffenhofen Neuhausen Landshut BMW Dingolfing Landshut Hbf Augsburg MAN AB Hbf AB Aichach Petershausen (S2) Freising Freising (S1) Vilsbiburg Innenstadt AB Altomünster (S2) Flughafen West Dachau Therme Erding Flughafen Ost Erding (S2) Mammendorf (S3) München Garching-Forschungszentrum (U6) Schondorf am Ammersee Landsberg Herrsching (S8) Tutzing Weilheim Ebersberg (S4, S6) Airbus Kreuz München Süd Wasserburg Starnberg Wolfratshausen (S7) Kreuzstraße (S7) Holzkirchen (S3) Prien am Chiemsee Rosenheim Rosenheim Drei mögliche UAM-Netzwerke für die Metropolregion München Drei entwickelte UAM-Netzwerke mit geringer (24), mittlerer (54) und hoher (130) Anzahl von Vertiports zur Verbesserung von Pendlerfahrten, der Erreichbarkeit des ÖPNV und von Unternehmen sowie der Nutzung für Freizeitaktivitäten Three possible UAM networks for the Munich Metropolitan Region Three developed UAM networks with low (24), medium (54), and high (130) numbers of vertiports to improve commuting, accessibility of public transport and businesses as well as to be used for leisure activities Sensitivitäten der Nachfrage nach UAM Sensitivitätsstudie der täglichen Anzahl von UAM-Passagieren in Abhängigkeit von Netzwerkgröße, UAM-Fluggeschwindigkeit, Flottengröße, Passagierprozess- zeiten, Grundticketpreis und kilometerbasiertem Ticketpreis. Die Verfügbarkeit von UAM-Vehikeln pro Vertiport (Fleet Size) sowie ein kilometerbasierter Ticketpreis zeigen den größten Einfluss auf eine zukünftige UAM-Nachfrage. Demand sensitivities for UAM Sensitivity study on the number of daily UAM passengers as a function of network size, vehicle cruise speed, ﬂeet size, passenger process times, basic and kilometre-based ticket price. The availability of UAM vehicles per vertiport (ﬂeet size) as well as a kilometre-based ticket price show the largest impact on future UAM demand. Network size impact UAM vehicle cruise speed impact Fleet size impact PAX process time impact Base fare impact Distance-based fare impact f o r e b m u n l a t o T s r e g n e s s a p M A U 160,000 140,000 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 24 vertiports 130 vertiports 74 vertiports 50 km/h 80 km/h 100 km/h 150 km/h 200 km/h 250 km/h 300 km/h 350 km/h 10,000 veh/station 20 veh/station 10 veh/station 100 veh/station 0 min 10 min 20 min 0.0 € 2.5 € 5.0 € 10 € 1 €/km 2 €/km 5 €/km 10 €/km Dr. Kay Plötner Head of Economics and Transportation Die zentralen Ergebnisse aus der Studie für die Metropolregion München lassen sich auch auf andere Städte über- tragen. Ohne eine sehr große Anzahl von Vertiports, einer hinreichenden Vertiportkapazität an stündlichen Flug- bewegungen und einer signifikanten Reduktion der Betriebskosten wird UAM die Verkehrssituation im urbanen Raum nicht maßgeblich verändern, sondern das bestehende Mobilitätsangebot nur ergänzen. Daher sollte sich die Forschung verstärkt auf vielversprechende, alternative Einsatzszenarien wie z. B. schlecht angebundene Regionen im ländlichen Raum, im Gebirge oder auf Inseln sowie für den Tourismus konzentrieren. Key results of the Munich Metropolitan Region UAM study can also be transferred to other cities. Without a very large number of vertiports, a sufﬁcient vertiport capacity of hourly ﬂight movements, and a signiﬁcant reduction in operating costs, UAM will not signiﬁcantly change the trafﬁc situation in urban areas, but will only supplement the existing mobility options. Therefore, research should focus more on promising, alternative use cases such as poorly connected regions in rural areas, mountainous regions, or islands as well as for tourism applications.

36 operations Analyse des Marktpotenzials von hybrid-elektrischen Regionalﬂugzeugen Zukünftige Ziele für die Luftfahrt sind neben der Emissionsreduktion die Verkürzung von Reisezeiten für Passagiere sowie die bessere intermodale Integration. Hinsichtlich dieser Ziele sind Wissen- schaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und des Bauhaus Luftfahrt gemeinsam der Frage nachgegangen, welches Potenzial hybrid- elektrische Antriebe für den 19-sitzigen Flugzeug- markt hätten. In Zukunft kann diese technologische Innovation vor allem auf der Kurzstrecke zum Ein- satz kommen. Es konnte gezeigt werden, dass ein solches Flugzeug im vollelektrischen Betrieb mit 16 Passagieren etwa eine Reichweite von 200 km und bei Einsatz eines kerosinbetriebenen Range- Extenders von 1250 km hat. Ein Austausch der heutigen Flotte von 19-Sitzern mit hybrid-elektri- schen Konzepten ermöglicht somit CO2-Einsparun- gen von bis zu 73 %. Entscheidend für die Markt- einführung sind eine wettbewerbsfähige Kosten- struktur, Zeitersparnisse für Passagiere und eine ausreichende Gesamtnachfrage. Seit Ende der 1990er-Jahre hat das Marktvolumen von konven- tionellen 19-Sitzern jedoch aufgrund des Wettbe- werbes durch größere Flugzeuge, andere Verkehrs- mittel und vergleichsweise hohe Betriebskosten abgenommen. Heute werden diese Flugzeuge vor- rangig auf dem nord- und südamerikanischen Markt eingesetzt. Insbesondere Kurzstreckenverbindungen zwischen Städten oder die Anbindung ländlicher Regionen bieten zukünftiges Potenzial. Bestehende regionale Flughafeninfrastruktur kann genutzt werden, um z. B. auf Routen mit unzureichendem Angebot an alternativen Verkehrsmitteln die Nach- frage direkt und zeitsparend zu bedienen. Die Höhe und Ausgestaltung von Infrastruktur-, Instandhal- tungs- oder Energiekosten sowie die Auslastung auf geflogenen Strecken spielen eine entscheidende Rolle und sind Bestandteil weiterer Forschung. Das im Kooperations- projekt entwickelte hybrid-elektrische 19-Sitzer-Flugzeug The hybrid-electric 19-seater aircraft developed in the cooperative project Analysis of the Market Potential of Hybrid-electric Regional Aircraft In addition to reducing emissions, future goals for aviation include shorter travel times for passengers and better intermodal integration. With regard to these goals, scientists from the German Aerospace Center and Bauhaus Luftfahrt have jointly investi- gated the potential of hybrid-electric propulsion for the 19-seater aircraft market. In the future, this technological innovation can be primarily beneﬁcial on short distances. Project results showed that such an aircraft with 16 passengers can cover a range of about 200 km in fully electric operation and 1250 km when using a kerosene-powered range extender. Replacing today’s ﬂeet of 19-seaters with hybrid- electric concepts will thus enable CO2 savings of up to 73 %. Decisive factors for the market introduction are a competitive cost structure, time savings for passengers, and sufﬁcient overall demand. Since the end of the 1990s, however, the market volume of conventional 19-seaters has declined due to com- petition from larger aircraft, other means of trans- port, and comparatively high operating costs. Today, these aircraft are primarily used in the North and South American market. In the future, especially short-haul connections between cities or links to rural regions exhibit new market potential. Existing regional airport infrastructure can be used, for example, to meet demand in a time-saving manner on routes with an insufﬁcient supply of alternative means of transport. The extent of infrastructure, maintenance, or energy costs as well as the demand on offered routes play a crucial role and are part of further research.

37 Oceania North America Near & Middle East Latin America Europe Asia Africa 2500 2000 1500 1000 500 0 t f a r c r i a r e t a e s - 9 1 h t i w s e r u t r a p e d f o r e b m u N ) s d n a s u o h t n i ( Historische Entwicklung der regionalen Anwendung von 19-sitzigen Flugzeugen Das globale Marktvolumen dieser 19-sitzigen Flugzeuge hat in den letzten 20 Jahren stark abgenommen; große Märkte hierfür sind die Vereinigten Staaten und Kanada (eigene Darstellung, basierend auf OAG 1998–2018). 1998 2000 2002 2004 2006 2008 Years 2010 2012 2014 2016 2018 Historic development of regional application of 19-seater aircraft The global market volume of 19-seater aircraft decreased steeply over the last 20 years, with a high share of trafﬁc concentrated within the United States and Canada (own depiction, based on OAG 1998–2018). Potenzial zur Emissionsreduktion auf dem globalen 19-Sitzer-Markt (2018) Abhängig vom Energiemix liegt das Potenzial zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei einem Austausch der heutigen 19-Sitzer- Flotte mit hybrid-elektrischen Konzepten zwischen 45 % und 73 %; eigene Darstellung, basierend auf Umweltbundesamt (2019), CO2-Emissionen pro Kilowattstunde Strom sinken weiter, https://www.umweltbundesamt.de/themen/co2-emissionen- pro-kilowattstunde-strom-sinken, und OAG (2018). The emissions reduction potential across the global 19-seater application range (2018) Depending on the underlying energy mix, the CO2 reduction potential of a future 19-seater ﬂeet with hybrid-electric concepts ranges between 45 % and 73 %; own depiction, based on Umweltbundesamt (2019), CO2-Emissionen pro Kilowattstunde Strom sinken weiter, https://www.umweltbundesamt.de/themen/ co2-emissionen-pro-kilowattstunde-strom-sinken, and OAG (2018). 25,000 20,000 15,000 10 ,000 5000 ) e l u d e h c s t h g i l f 8 1 0 2 ( t n i s n o i s s i m e 2 O C 0 0 – 50 Conventional 19-seater Hybrid-electric 19-seater (current energy mix) Hybrid-electric 19-seater (100 % carbon-neutral electricity) 50 – 100 100 – 150 150 – 200 200 – 250 250 – 300 300 – 350 350 – 400 400 – 450 450 – 500 500 – 550 550 – 600 600 – 650 650 – 700 700 – 750 750 – 800 800 – 850 850 – 900 900 – 950 1000 – 1050 950 – 1000 1050 – 1100 Distance class from x km up to under y km

38 operations Umweltbewusstes Verhalten: Wie sieht die Zukunft für die Luftfahrt aus? Das Jahr 2019 war geprägt von einer intensiven öffentlichen Debatte, ob Fliegen in Zeiten des Klimawandels moralisch vertretbar ist. Zwei Fragen drängen sich angesichts dieser Diskussion auf: Inwiefern führen gesellschaftliche Debatten tat- sächlich zu einer Veränderung des Flugverhaltens? Und welche Auswirkungen hat dies auf die Struk- tur des Luftfahrtsystems? Um diesen vielschichtigen Fragestellungen nachzugehen, setzt die Forschung des Bauhaus Luftfahrt an verschiedenen Stellen an. Ergebnisse aus dem EU-Projekt DATASET2050 zeigen, dass zukünftig umweltbewusste Passagiere seltener fliegen werden, Flugreisen kombinieren wollen und umweltfreundlichen Zubringerverkehr nutzen.1 Zudem werden Reiseentscheidungen im Kontext verschiedener klimaschonender Optionen wie CO2- Kompensation, Reduktion oder Verzicht getroffen. Erste repräsentative Studien zeigen die drama- tische Veränderung der öffentlichen Wahrnehmung weltweit. Während für 2019 nur 11% der Europäer erwogen, weniger zu fliegen, wollen in 2020 dies nun 63 % der Europäer tun. Interessanterweise erfährt „nicht fliegen“ dabei eine höhere Zustim- mung als „Flüge kompensieren“. Wann und wie sich das Reiseverhalten verän- dern wird, hängt auch vom Verhalten der etablier- ten Akteure ab. Die Herausforderung besteht darin, die Anzeichen der Veränderung frühzeitig ernst zu nehmen, adäquate Antworten darauf zu finden und betriebswirtschaftliche Risiken abzuwägen. Die Forschung des Bauhaus Luftfahrt dockt insbeson- dere an der Schnittstelle zwischen ökonomischer Modellierung, Szenarioentwicklung und Policy- Analyse an diese Fragestellungen an. Hierbei ist es wichtig, die Luftfahrt im größeren Mobilitäts- kontext zu verstehen, um ganzheitliche Lösungs- ansätze zu identifizieren. Pro-environmental Behaviour: What Future for Aviation? The year 2019 was marked by intensive public dis- cussion, whether ﬂying is morally acceptable in times of climate change. Through this debate, two pivotal questions come into mind: To what extent do public debates truly lead to a change in ﬂying behaviour? And which consequences could this have on the structure of the aviation system? To investigate these multi-facetted questions, research of Bauhaus Luftfahrt takes various approaches. Results from the EU project DATA- SET2050 show that, in the near future, environmen- tal passengers will ﬂy less often, combine trips more often, and focus on using environmental means of transport along the travel chain.1 Further, travel decision will be made in the context of differ- ent sustainability options such as CO2 compensa- tion, reduction, or sacriﬁce. First representative studies highlight the dra- matic shift in public perception worldwide. While only 11% of Europeans considered to ﬂy less in 2019, 63 % claim to do so in 2020. What’s more, “not ﬂying” shows higher approval rates than “compensating ﬂights”. When and how travel behaviour will truly adapt will also depend on the behaviour of established aviation stakeholders. The challenge is threefold: Take the signals of change seriously as early as pos- sible, ﬁnd adequate answers to them, and balance economic risks. Bauhaus Luftfahrt focusses its research at the intersection between economic modelling, scenario development, and policy analy- sis. In order to identify holistic solutions, it is crucial to understand aviation in a wider mobility context. 1 Kluge, U., Paul, A., Ureta, H., & Ploetner, K. O. (2018). Proﬁling Future Air Transport Passengers in Europe. Proceedings of 7th Transport Research Arena TRA 2018, (p. 10). Vienna, Austria. doi:10.5281/zenodo.1446080 In welche Richtung wird die Bekämpfung des Klimawandels die Luftfahrt lenken? Towards which path will climate change mitigation push the aviation industry? This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 640353.

39 F LY G S K A M Societal trends • Pressure from civil society for climate change mitigation • Natural desasters are increasingly interpreted as results of climate change. Changing awareness among passengers • #Flygskam (no flights in 2020) • Fridays for Future • Increasing “carbon conscience” Changing behaviour? • Value-action gap: Passengers fly despite concerns about their emissions. • Willingness to pay for own emissions remains low. Wann und wie wird ein verändertes Bewusstsein in verändertes Mobilitäts- verhalten münden? Die Debatte um nachhaltiges Bewusstsein in der Luftfahrt hat sich 2019 stark intensiviert. Die spezifischen Effekte auf das Reiseverhalten sind allerdings schwer zu identifizieren. When and how will increasing awareness lead to different travel behaviour? The public debate around environmental awareness in aviation sharply intensiﬁed in 2019. The speciﬁc effects on travel behaviour are, however, difﬁcult to identify. Gute Vorsätze von Menschen aus Europa, den USA und China bezüglich Flugreisen Die Verschiebung in der Wahrnehmung zwischen 2018 und 2019 ist eklatant. Persönliche Präferenzen zeigen, wie unterschiedlich die Auswirkungen auf das Reiseverhalten ausfallen könnten. Good resolutions of people from Europe, the USA, and China regarding air travel The shift in awareness from 2018 to 2019 is striking. Diverging personal preferences could lead to quite different effects on travel behaviour. Personal plans to travel less often by plane or to fly less Personal plans to reduce climate impact of flying (2019 survey) 11 EU 15 15 USA China 2018 2019 63 59 79 EU USA China 50 63 68 40 47 38 59 53 74 79 84 74 Sacrifice the trip of your dreams to a far-away destination Fly less Prefer trains to planes for trips that take five hours or less Carbon offset your flight 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Source: EIB 1st and 2nd climate survey, https://www.eib.org/en/surveys/index.htm

41 Renewable alternatives to conventional jet fuel have moved into the focus of interest of the aviation industry. In this diverse thematic ﬁeld, the research focus area “Alternative Fuels” at Bauhaus Luftfahrt addresses the following key questions: Which quantities of renewable fuel can be produced in the future? Which technical production pathways are available for a long-term supply of renewable fuels? How do these pathways perform with respect to technical, environ- mental, and socioeconomic criteria? And what are appropriate measures to introduce the required volumes of sustainable jet fuel into the market? Less mature technology options with promising long-term potentials are of particular interest for the work at Bauhaus Luftfahrt. The production of advanced biofuels from residues and waste streams or non-biogenic approaches, such as solar fuels and power-derived fuels (StL, PtL, H2), represent important research topics in this context. Erneuerbare Alternativen zu konventionellem Kerosin rücken zunehmend in den Fokus der Luftfahrt. In diesem vielfältigen Themenfeld konzentriert sich der Forschungsschwerpunkt „Alternative Kraftstoffe“ am Bauhaus Luft- fahrt auf folgende zentrale Fragestellungen: In welchen Mengen können erneuerbare Kraft- stoffe in Zukunft produziert werden? Welche technischen Produktionspfade stehen für eine langfristige Versorgung zur Verfügung? Wie sind diese Pfade im Hinblick auf ihre techni- schen, ökologischen und sozioökonomischen Potenziale zu bewerten? Und wie lassen sich die benötigten Mengen nachhaltiger Kraft- stoffe in den Markt einführen? Langfristige, bislang weniger entwickelte Optionen spielen in den Betrachtungen eine besondere Rolle. Die Produktion fortgeschrittener Biokraft- stoffe aus Abfall- und Reststoffen oder nicht- biogene Prozesse, wie solare Kraftstoffe und strombasierte Kraftstoffe (StL, PtL, H2), stellen hierzu wichtige Forschungsansätze dar.

42 alternative fuels Nebenprodukte ver- bessern die Ökobilanz von Algenkraftstoffen Im Verbundprojekt Alpines AlgenKerosin (AAK) erforschten die Technische Universität München und das Bauhaus Luftfahrt drei Jahre lang neue Wege, um nachhaltige Kraftstoffe aus Mikro- algen herzustellen. Das Projekt fand 2019 seinen Abschluss. Im Fokus stand die Erprobung neuer Schlüsseltechnologien: (i) Züchtung eines Algen- stammes mit gesteigertem Lipidgehalt zur Erhö- hung der Kraftstoffausbeute, (ii) Einsatz neuartiger Dünnfilmreaktoren für höhere Kulturzelldichten und geringeren Flächenbedarf, (iii) Einsatz von Enzymen für einen energiesparenden Zellaufschluss, (iv) Gewinnung von Zellproteinen als wertvolles Nebenprodukt sowie (v) Verringerung des Prozess- energiebedarfs der Kraftstoffsynthese durch den Einsatz eines neuartigen Niedertemperaturkataly- sators. Bei der ökologischen Bewertung dieser neuen Technologien durch das Bauhaus Luftfahrt ergab sich ein zweigeteiltes Bild: Während die Konver- sion mithilfe des Niedertemperaturkatalysators den ökologischen Fußabdruck verbessert, ist eine Erhöhung des Lipidgehaltes nur zielführend, wenn der Proteinanteil hierdurch nicht zu deutlich sinkt. Ein hoher Proteingehalt kann erheblich zur Verbes- serung des ökologischen Fußabdruckes beitragen, da dem Nebenprodukt ein Teil der ökologischen Kosten der Produktion zugeschrieben werden kann. Werden die Prozessenergie sowie das für das Algenwachstum zugeführte CO2 aus erneuerbaren Quellen bezogen, kann mit dem Algenkraftstoff eine deutliche Reduzierung der Treibhausgas- emissionen gegenüber fossilem Kraftstoff erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen, wie mithilfe von Neben- produkten die Ökobilanz von Algenkraftstoffen ver- bessert werden kann, und weisen damit einen Weg in die zukünftige Erforschung von Koproduktions- prozessen. Nicht nur für die Ökobilanz gut: Als Nahrungser- gänzungsmittel erzielen Algen- proteine hohe Erlöse auf dem Weltmarkt. Sustainable and proﬁtable: As food supplements, algae proteins realise high proﬁts on the world market. By-products can Boost the Greenhouse Gas Balance of Algae Fuel In the joint project Alpine AlgaeKerosene (AAK), the Technical University of Munich and Bauhaus Luftfahrt spent three years researching new ways to produce sustainable fuels from microalgae. The project was completed in 2019. The focus was on testing several new key technologies: (i) cultivation of an algae strain with increased lipid content to improve fuel yield, (ii) use of novel thin-layer reac- tors for higher culture cell densities and lower space requirements, (iii) use of enzymes for low- energy cell disruption, (iv) extraction of cell proteins as a valuable by-product, and (v) reduction of the energy requirement during fuel synthesis by using a novel low-temperature catalyst. The ecological evaluation of these new tech- nologies by Bauhaus Luftfahrt revealed a dualistic picture: While conversion using the low-tempera- ture catalyst improves the ecological footprint, increasing the lipid content is only effective if the protein content does not decrease signiﬁcantly. A high protein content can contribute considerably to the improvement of the ecological footprint, as part of the ecological costs of production can be attributed to the by-product. If the process energy as well as the CO2 supplied for algae growth are obtained from renewable sources, the algae fuel can achieve a signiﬁcant reduction in greenhouse gas emissions compared to fossil fuel. The results show how the life-cycle impact of algae fuels can be improved with the help of by-products and thus point the way to future research on co-production processes.

43 Electricity Enzymes HCI bentonite Electricity heat H2 Transport by ... lorry pipeline Production of ... PVC pipeline EoL of ... PVC pipeline Electricity urea TSP MgSO4 desal. water sea water land Infrastructure Cultivation Centrifuge Cell disruption Oil extraction Protein precipitation Conversion Fuel transport CO2 (biogas cogeneration plant) Electricity heat CO2 water Waste water treatment Protein Fuel Der AAK-Prozesspfad Das Schema zeigt die Algenkultivierung in Dünnschichtreaktoren, Wasser- abscheidung, enzymatischen Zellaufschluss, Ölabscheidung, Proteinfällung, Umwandlung der Restbiomasse in Kraftstoff und die Kraftstoffbereitstellung. The AAK process path The scheme shows algae cultivation in thin-ﬁlm reactors, water separation, enzymatic cell disruption, oil separation, protein precipitation, conversion of residual biomass into fuel, and fuel supply. Klimawirkung verschiedener Kraftstoffe Algenkraftstoff nach dem AAK-Verfahren kann gegenüber fossilem Kraftstoff eine deutliche Reduzierung der Treibhausgas- emissionen erreichen. HEFA: Hydroprocessed Esters and Fatty Acids; UCO: Used Cooking Oil Climate impact of various fuels Algae fuel from the AAK process can achieve a signiﬁcant reduction in greenhouse gas emissions compared to fossil fuel. HEFA: Hydroprocessed Esters and Fatty Acids; UCO: Used Cooking Oil ] q e - 2 O C - g [ s r a e y 0 0 1 l a i t n e t o p g n i m r a w l a b o l G 100 % 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 50 % 27 % 17 % Conventional AAK HEFA (UCO) HEFA (US soy)

44 alternative fuels Production Potential for HTL Fuels from Waste and Residues The revised Renewable Energy Directive of the European Union limits the share of biofuels from food crops to a few percent. As a result, innovative processes such as hydrothermal liquefaction (HTL), which enable a cost-efﬁcient fuel production from sustainably available feedstock, are gaining in importance. The HTL process yields an energy-rich “biocrude” from the conversion of various organic feedstock types, including residues from agri- culture or waste streams such as sewage sludge, which are challenging to dispose. The biocrude is subsequently upgraded to various fuels. As part of the project HyFlexFuel, Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ) and Bauhaus Luftfahrt quantiﬁed the geographical availability of feedstock types, which are particularly suitable for the HTL process. Based on the biochemical composition of these types of feedstock, conver- sion factors were determined in order to calculate yields of biocrude and upgraded HTL fuels. The results show that both urban and rural regions are suitable locations for HTL plants, depending on the respective feedstock. The map illustrates that areas with intensive agriculture and large feedlots have a particularly high fuel poten- tial. Analysis on feedstock availability leads to a theoretical production potential of 40 million tons of HTL fuel per year. Taking into account competi- tive use in other sectors, it seems realistic to cover about 20 % of the current European jet fuel demand. Thus, HTL fuels can play an important role in a holistic sustainability strategy for aviation. Produktions- potenziale für HTL- Kraftstoffe aus Abfall- und Reststoffen Die neugefasste Erneuerbare-Energien-Richtlinie der Europäischen Union begrenzt den Anteil von Biokraftstoffen aus Nahrungsmittelpflanzen auf wenige Prozent. Dadurch gewinnen innovative Verfahren wie die hydrothermale Verflüssigung (HTL: Hydrothermal Liquefaction) an Bedeutung, die kostengünstige Kraftstoffe aus nachhaltig ver- fügbaren Rohstoffen erzeugen können. Das HTL- Verfahren ermöglicht eine Konvertierung verschie- dener biogener Rohstoffe, darunter Reststoffe, die bei der Landwirtschaft anfallen, oder Abfälle wie Klärschlamm, die aufwendig entsorgt werden müssen, zu einem energiereichen „Biocrude“, das in einem Veredelungsprozess („Upgrading“) zu verschiedenen Kraftstoffen verarbeitet wird. Im Rahmen des Projektes HyFlexFuel haben das Deutsche Biomasseforschungszentrum (DBFZ) und Bauhaus Luftfahrt die geografische Verfügbarkeit von Rohstoffen quantifiziert, die sich in besonde- rem Maße für das HTL-Verfahren eignen. Basierend auf der biochemischen Zusammensetzung dieser Rohstoffe wurden Konversionsfaktoren bestimmt, um jeweils die Erträge für das Biocrude sowie für die aufbereiteten HTL-Kraftstoffe zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass je nach eingesetz- tem Reststoff sowohl urbane als auch ländliche Regionen als geeignete Standorte für HTL-Anlagen infrage kommen. Die Landkarte der Rohstoffverfüg- barkeit aus der Landwirtschaft macht deutlich, dass Gegenden mit intensivem Ackerbau und großen Mastbetrieben ein besonders hohes Kraftstoffpo- tenzial aufweisen. Die Potenzialanalyse ergibt ein theoretisches Produktionspotenzial von 40 Mio. t HTL-Kraftstoff pro Jahr. Unter Berücksichtigung von Konkurrenznutzung in anderen Sektoren erscheint es realistisch, etwa 20 % des aktuellen europäischen Kerosinbedarfs zu decken. Somit können HTL-Kraft- stoffe eine wichtige Rolle in einer holistischen Nachhaltigkeitsstrategie für die Luftfahrt spielen. HTL ermöglicht die Produktion nachhaltiger Bio- kraftstoffe aus Reststoffen und trägt zur Kreislauf- wirtschaft bei. HTL enables the future production of sustainable fuels from residues and thus contributes to a circular economy. This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 764734.

45 Agricultural residues (140 Mt) Animal excretions (51 Mt) Sewage sludge (11 Mt) Biowaste (10 Mt) HTL Upgrading 26 Mt 10 Mt 2.8 Mt 1.4 Mt Feedstock potential Conversion model Biofuel potential Von der Biomasse zum Flugkraftstoff: ein Konversionsmodell für den HTL-Prozess Anhand eines experimentell validierten Modells wurden die Kraftstoffmengen berechnet, die sich aus Reststoffen (Rohstoff- potenzial links) mittels HTL jährlich in Europa produzieren lassen (Kraftstoffpotenzial rechts). From biomass to jet fuel: a conversion model for the HTL process An experimentally validated model quantiﬁed the annual HTL biofuel potential for the conversion of selected waste and residue streams in Europe. Left: feedstock potential; right: biofuel potential Landwirtschaftliche Rest- und Abfallstoffe in Europa als Basis für HTL-Kraftstoffe Produktionspotenzial für HTL-Kraftstoffe basierend auf ausgewählten Rest- und Abfallstoffen in einem Umkreis von 20 km Agricultural residues and waste streams in Europe as feedstock for HTL fuels HTL fuel production potential based on selected residues and waste streams within a radius of 20 km Source: DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Fuel potential from agricultural by-products and animal excretions 100 tons per year 1000 tons per year 10,000 tons per year

46 alternative fuels Solar-thermochemical Fuels: Status and Perspectives The transition from fossil fuels to renewable ones is one of the largest challenges of the future. This is true especially for aviation that will continue to rely on liquid fuels for long-distance travel. The project SUN-to-LIQUID (2016 –2019) rises to this challenge establishing the production of renewable jet fuel from water and CO2 using concentrated sunlight and Fischer-Tropsch synthesis. To this end, the fuel synthesis was tested under real-world con- ditions in an integrated plant erected speciﬁcally for the project at IMDEA Energy Institute in Spain. Solar energy is concentrated by a factor of 2500 by a heliostat ﬁeld that follows the sun, which corresponds to three times the concentration of commercial concentrated plants for electricity generation. In the EU-funded project, solar jet fuel was produced for the ﬁrst time last year. Bauhaus Luftfahrt analysed, besides others, the geographical production potential. In a ﬁrst step, unsuitable areas (e.g. agricultural areas, forests, protected areas, or settlements) were excluded. On the remaining areas, the production costs can be estimated as a function of solar irradi- ation and local ﬁnancial conditions. The best loca- tions in the Mediterranean region are Israel, Spain, and Morocco, with costs of 1.4 euros per litre. The production can in principle be scaled up indeﬁnitely, what would allow to cover the world demand for jet fuel at average costs of 2 euros per litre. The developed model can be used for the optimisation of costs on a local and national level. Solar-thermochemische Kraftstoffe: Status und Perspektiven Die Umstellung von fossilem auf erneuer- baren Kraftstoff ist eine der wichtigsten Herausforderungen der Zukunft. Dies gilt ins- besondere für die Luftfahrt, die auf langen Strecken auch weiterhin auf flüssige Kraft- stoffe angewiesen ist. Das Projekt SUN-to- LIQUID (2016 –2019) nimmt diese Heraus- forderung an, indem es die Produktion von erneuerbarem Kerosin aus Wasser und CO2 durch konzentriertes Sonnenlicht ermöglicht. Dazu wurde die Kraftstoffproduktion unter realen Bedingungen an einem Solarturm auf dem Gelände des IMDEA-Energy-Institutes in Spanien getestet, wo eigens für das Projekt eine einzigartige Solaranlage mit integrierter Fischer-Tropsch-Kraftstoffsynthese errichtet wurde. Ein der Sonne folgendes Heliostaten- feld konzentriert das Sonnenlicht um den Faktor 2500, was der dreifachen Konzentra- tion im Vergleich zu Solaranlagen entspricht, die derzeit zur Energiegewinnung eingesetzt werden. Innerhalb des EU-geförderten Pro- jektes gelang damit nun erstmals die Her- stellung solaren Kerosins. Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte unter anderem das geografische Produktionspoten- zial, indem es in einem ersten Schritt ungeeig- nete Flächen (z. B. landwirtschaftliche Flächen, Wälder, Schutzzonen oder Siedlungen) von der Betrachtung ausschloss. Auf den verbleiben- den Flächen können dann die Produktionskos- ten in Abhängigkeit von der Sonnenstrahlung und den lokalen Finanzierungsbedingungen berechnet werden. Die besten Standorte in der Mittelmeerregion sind Israel, Spanien und Marokko, mit Kosten von 1,4 EUR pro Liter. Die Produktion kann beliebig skaliert werden, was es erlauben würde, den Weltbedarf an Kerosin zu Kosten von durchschnittlich 2 EUR pro Liter zu decken. Das entwickelte Modell kann für eine Kostenoptimierung auf lokaler und nationaler Ebene verwendet werden. SUNlight-to-LIQUID: Integrierte solar- thermochemische Synthese ﬂüssiger Kraftstoffe SUNlight-to-LIQUID: Integrated solar- thermochemical synthesis of liquid hydrocarbon fuels This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 654408.

47 Erste solar-thermochemische Kraftstoffanlage im Projekt SUN-to-LIQUID eingeweiht Die weltweit erste integrierte Anlage zur Herstellung solar-thermochemischer Kraftstoffe wurde im Juni 2019 mit der Produktion von Kerosin aus Wasser, CO2 und Sonnenlicht offiziell eingeweiht. First solar-thermo- chemical fuel production plant inaugurated in the SUN-to-LIQUID project The world’s ﬁrst integrated facility for the production of solar-thermochemical fuels was inaugurated in June 2019, producing jet fuel from water, CO2, and sunlight. 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 ] L / € [ s t s o c n o i t c u d o r P Regional jet fuel demand Global jet fuel demand Production costs [€/L] 1.4 0.0 0.5 1.5 1.0 Production volume [t/y] 2.0 2.5 3.0 x108 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 >2.50 h = 0.15 h = 0.19 h = 0.25 Geograﬁsches Potenzial solar-thermochemischer Kraftstoffe Im Mittelmeerraum kann solares Kerosin mit niedrigen Kapitalkosten und hoher Einstrahlung ab ca. 1,4 EUR pro Liter hergestellt werden (Israel, Spanien, Marokko). Der Weltbedarf könnte zu Kosten unter 2,3 EUR pro Liter gedeckt werden. Geographical potential of solar-thermochemical fuels In the Mediterranean region, solar jet fuel can be produced at costs from 1.4 euros per litre (Israel, Spain, Morocco), using high solar irradiation and low costs of capital. The global demand could be covered at costs of under 2.3 euros per litre.

48 alternative fuels Projekt PowerFuel: Strombasierte Kraftstoffe aus Wasser und CO2 Die erneuerbare Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie etabliert sich zunehmend als tragende Säule der Energiewende. Durch kontinuierlich fallende Gestehungskosten rückt eine Herstellung von synthetischem Kerosin mithilfe von erneuerbarem Strom in greifbare Nähe. Gemeinsam mit der Ludwig- Bölkow-Systemtechnik hat das Bauhaus Luftfahrt bereits 2016 die Potenziale und Per- spektiven des sogenannten Power-to-Liquid- Verfahrens (PtL) untersucht.1 Mit PowerFuel ist das Bauhaus Luftfahrt nun an einem Ver- bundprojekt zur experimentellen Demonstra- tion einer PtL-Anlage beteiligt. Die PowerFuel-Demonstrationsanlage ist Teil des Energy Lab 2.0 am Karlsruher Institut für Technologie. Dort kann ein bestehender Siemens-Elektrolyseur zur Wasserstofferzeu- gung mit einem PV-Feld gekoppelt werden oder repräsentative Lastzyklen abfahren, die eine Einbettung in verschiedene Energiesys- teme abbilden. Der Projektpartner Climeworks steuert eine Anlage zur Filterung von CO2 aus der Luft bei, deren Wärmebedarf zum Teil aus der exothermen Kraftstoffsynthese gedeckt wird. Ein zentraler Aspekt von PowerFuel ist die lastfolgende Fahrweise der umgekehrten Wassergas-Shift-Reaktion und des mikro- strukturierten Fischer-Tropsch-Reaktors der Firma INERATEC zur flexiblen Synthese flüssiger Kohlenwasserstoffe. Das entstehende „Syn- crude“ wird am DLR-Institut für Verbrennungs- technik auf seine Eigenschaften untersucht und soll weiter zu Kerosin aufbereitet werden, mit dem Ziel, es in einem Feldversuch zu ver- wenden. Das Bauhaus Luftfahrt und die Tech- nische Universität Hamburg beschäftigen sich in der Systemanalyse mit der wirtschaftlichen Optimierung des PtL-Prozesses unter Berück- sichtigung verschiedener Energieszenarien. Electricity + Water + CO2 = PtL jet fuel Im Projekt PowerFuel werden Wasser und CO2 zu einem spezi- ﬁkationskonformen Kraftstoff umgesetzt. The PowerFuel project converts water and CO2 to on-speciﬁcation jet fuel. Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 03EIV071C gefördert. The PowerFuel Project: Electrofuels from Water and CO2 Renewable electricity generation from solar and wind energy has become the backbone of the energy transition. Continuous cost reductions are moving the synthesis of renewable kerosene from sustainable electricity within reach of deployment. Bauhaus Luftfahrt has analysed the potentials and perspectives for the future supply of aviation with PtL fuels in collaboration with Ludwig-Bölkow- Systemtechnik already in 2016.1 Bauhaus Luftfahrt is now partner in the collaborative research project PowerFuel aiming at an experimental demonstra- tion of a PtL plant. The PowerFuel demonstration plant is embed- ded in the Energy Lab 2.0 at the Karlsruhe Institute of Technology. An existing Siemens PEM electro- lyser for hydrogen generation can be coupled to a PV ﬁeld or follow representative load cycles to simulate the sectorial coupling within various energy systems. The project partner Climeworks contributes a direct air capture unit where the pro- cess heat for the CO2 capture process is partially provided by the exothermal fuel synthesis step. The core aspect of the project is the load-ﬂexible operation of the Gas-to-Liquids unit consisting of a reversed water-gas-shift reactor and a micro- structured Fischer-Tropsch reactor of the company INERATEC. The resulting hydrocarbon product is analysed at the DLR Institute of Combustion Tech- nology and will be further upgraded to a jet fuel blend component, with the aim to use it in a ﬁeld trial. Bauhaus Luftfahrt and Hamburg University of Technology are responsible for the system analysis and the techno-economic optimisation of the PtL process with respect to different energy scenarios. 1 Schmidt, P., Weindorf, W., Roth, A., Batteiger, V., & Riegel, F. (2016). Power-to-Liquids – Potentials and Perspectives for the Future Supply of Renewable Aviation Fuel. Dessau-Roßlau, Germany: Umweltbundesamt. http://bit.ly/2cowOyf

49 1. Aug 2013 PowerFuel-Prozesskette Die Implementierung der PowerFuel-Prozesskette erfolgt mit einer Demonstrationsanlage im Anlagen- verbund des Energy Lab 2.0 am Karlsruher Institut für Technologie. Product storage (24 t) H2 tank (50 m3) H2 dryer CO2 tank (11 t) PEM electrolyser Control room (jet fuel synthesis) PowerFuel process chain The implementation of the PowerFuel process chain is realised with a demonstration plant as part of the Energy Lab 2.0 at the Karlsruhe Institute of Technology. Direct air capture (future) Source: KIT, PPQ Jet fuel synthesis (ca. 240 L/d) Zeitaufgelöste Simulation einer kostenoptimierten PtL- Anlage in Norddeutschland Die PtL-Anlage (blau) wird kleiner ausgelegt als die Spitzen des Stromangebots (gelb). Selbst in Norddeutschland rechnet sich die Kombination aus Wind und PV, die den Anlagenverbund im Jahresgang besser auslastet. Time-resolved simulation of a cost-optimised PtL plant in Northern Germany The capacity of the PtL plant (blue) is smaller than the peaks of the power proﬁle (yellow). Combining wind with PV pays off even in Northern Germany, due to a better plant utilisation over the course of the year. ] W M [ r e w o P 10 8 6 4 2 0 ] W M [ r e w o P 10 8 6 4 2 0 Winter Summer 2013 ] W M [ r e w o P 10 8 6 4 2 0 1. Jun 1. Jan 15. Jan 1. Feb 15. Feb 1. Mar 2013 Winter, wind-dominated Electricity generation PtL plant load 15. Jun 1. Jul 15. Jul Summer, solar & wind Dr. Valentin Batteiger Lead Alternative Fuels Im Gruppendesignprojekt Hy-ShAir diente der PtL-Prozess als zukünftiger Referenzfall für eine Neubetrachtung von Wasserstoff als Kraftstoffoption für die Luftfahrt. Zu Jahresbeginn war diese Fokussierung auf Wasserstofftechno- logien durchaus eine mutige Entscheidung. Es war kaum absehbar, welche Dynamik sich im Jahresverlauf durch Klimastreiks, die Leipziger Luftfahrtkonferenz oder den „European Green Deal“ entfalten würde. Mittlerweile spielen strombasierte Kraft- stoffe eine zentrale Rolle in fast allen Klimaschutzstrategien. In der aktuellen Diskussion gilt es, tragfähige Lösungen zu identi- fizieren und weitere vielversprechende Optionen nicht aus den Augen zu verlieren. Within the group design project Hy-ShAir, the PtL process served as a future benchmark for a refreshed investigation of hydrogen as a fuel supply option for aviation. This focus on hydrogen technologies was a courageous decision at the beginning of 2019. It was hard to foresee how dynamically this topic would evolve throughout the year in light of the Fridays for Future movement, the National Aviation Conference in Leipzig, or the European Green Deal. Power-derived fuels are meanwhile a central piece of almost all decarbonisation strategies. Within the current discussion, it is important to identify workable solutions and keep an eye on further promising options.

51 The interdisciplinary research focus area concentrates the research activities on novel combustion-based and alternative (hybrid-)electric motive power systems for aircraft. This extends the search for new aircraft energy options well beyond so-called drop-in solutions. The technological challenges associated with novel thermo- dynamic cycles as well as fully or hybrid-electric motive power systems are addressed from the basics upwards: Relevant key technologies are identiﬁed, future potentials for energy converters are assessed, and hybrid systems are conceptually designed and analysed at aircraft level. Therefore, scientists and engineers search answers along the main research questions: (i) Energy and propulsion technologies: What are enabling key technologies? (ii) Energy conversion devices: What are their future potentials? (iii) Hybrid system architectures: How can the best of two worlds be combined? Der interdisziplinäre Forschungs- schwerpunkt konzentriert die For- schungsarbeiten zu neuartigen auf Verbrennung basierenden und alter- nativen (hybrid-)elektrischen Antrie- ben in der Luftfahrt. Dies erweitert die Suche nach neuen Energie- optionen im Flugzeug deutlich über sogenannte Drop-in-Lösungen hinaus. Die technologischen Herausforde- rungen durch neue Kreisprozesse wie auch voll- oder hybridelektrische Antriebstechnik werden von den Grundlagen her aufbauend adres- siert: Es werden relevante Schlüssel- technologien identiﬁziert, zukünftige Potenziale von Energiewandlern bewertet sowie hybride Antriebs- konzepte entwickelt und auf Flugzeug- ebene analysiert. Dabei arbeiten die Wissenschaftler und Ingenieure ent- lang der wesentlichen Fragestellungen: (i) Energie- und Antriebstechnologien: Was sind die Schlüsseltechnologien? (ii) Energiewandler: Was sind ihre zukünftigen Potenziale? (iii) Hybride Systemarchitekturen: Wie lässt sich das Beste aus zwei Welten kombinieren? 600 700 800 900 1000

52 energy technologies & power systems Modellierung radikal neuer thermodynamischer Kreisprozesse e r u t a r e p m e T Die Bewertung radikal neuer Technologien für Flug- antriebe und deren Verbesserungspotenziale stellt bereits in der frühen Phase der konzeptionellen Ausarbeitung hohe Ansprüche an die Qualität und Flexibilität der zugrunde liegenden Rechenmodelle. So müssen etwa die Modelle und Methoden zur thermodynamischen Zyklussimulation kontinuierlich weiterentwickelt werden, um die wesentlichen physikalischen Effekte in neuartigen Wärmekraft- maschinen mit ausreichender Genauigkeit abbilden zu können. Als potenziell revolutionäre Technolo- gien werden derzeit unter anderem voll-/hybrid- elektrische Antriebsstränge, Wärmetauscher mit Phasenwechsel oder Kolbenmaschinen untersucht. Die dazu verwendete interne Datenbasis für ther- modynamische Stoffeigenschaften wurde erweitert, um Arbeitsfluide mit hohem Wassergehalt hand- haben zu können. Darüber hinaus wurde die Berück- sichtigung von klimawirksamen Verbrennungs- produkten ausgeweitet, um die Grundlage für die Bewertungsfähigkeiten des Bauhaus Luftfahrt hin- sichtlich des ökologischen Fußabdruckes der Luft- fahrt zu erweitern. Je näher die mögliche Einsatz- reife einer Technologie rückt, umso stärker tritt das operationelle Verhalten in den Vordergrund. Im Bereich der Composite Cycle Engine, welche Kolben- maschinen in den Hochdruckteil konventioneller Turbomaschinen einbettet, wird in diesem Zusam- menhang das Betriebsverhalten der Kolbenma- schinen in Zukunft über eine differenzierte Ver- brennungscharakteristik aufgelöst. Alle genannten Modellerweiterungen verbessern die Entschei- dungsgrundlage für die Auswahl der richtigen Technologiekandidaten für Flugantriebsanwen- dungen der übernächsten Generation. Specific entropy T-s-Diagramm für einen generischen, radikalen thermo- dynamischen Kreis- prozess mit Kolben- maschine Generic T-s diagram of a radically advanced thermo- dynamic cycle, which incorporates piston engines. Developments in Modelling of Radically Advanced Thermo- dynamic Cycles The evaluation of radically advanced technologies for aircraft propulsion systems and the assessment of their improvement potential require a high quality and ﬂexibility of the underlying computing models, even in the early conceptual phase. Models and methods for thermodynamic cycle simulation have to be continuously further developed in order to map the essential physical effects of new types of heat engines with sufﬁcient accuracy. At Bauhaus Luftfahrt, full or hybrid-electric drive trains, heat exchangers with phase change, or piston engines are currently investigated as potentially revolution- ary technologies. Therefore, the internal database for thermodynamic material properties has been extended to handle working ﬂuids with high water content. In addition, the bookkeeping of climate-im- pacting combustion products has been upgraded in order to improve Bauhaus Luftfahrt‘s data basis for the assessment of the ecological footprint of avia- tion. Moreover, the closer a technology comes to its possible entry into service, the more the operational behaviour comes to the fore. In the ﬁeld of Compos- ite Cycle Engines, which embed piston engines in the high-pressure section of conventional turboma- chinery, the operating behaviour of piston engines will be resolved via more reﬁned combustion char- acteristics in the future. All of these model enhance- ments directly support the decision-making basis for selecting the right technology candidates for the next-generation of aircraft propulsion applications.

53 Speziﬁsche Enthalpie und Wasserzustand von Luft-Wasser-Gemischen Spezifische Enthalpie von Luft-Wasser-Gemischen für zunehmende Temperaturen inklusive Phasenumwand- lungsenthalpie mit Scharparameter Wasseranteil (links), Phasenanteil von Eis, Wasser und Dampf bei verschie- denen Temperaturen (rechts) Speciﬁc enthalpy and thermodynamic state of water in air-water mixtures Speciﬁc enthalpy of air-water mixtures for increasing temperatures and water-to-air ratio, including phase change enthalpy as well as corresponding share of water in its different thermodynamic states (ice, water, or water vapour) ] g k / J [ y p l a h t n e c i f i c e p S 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 x106 Pressure: 100 bar Increasing water-to-air ratio 0 100 200 300 400 500 600 Temperature [K] 700 800 900 1000 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Solid 0 300 T [K] 1000 Liquid 0 300 T [K] 1000 Vapour 0 300 T [K] 1000 Flugantriebskonzepte zur Umsetzung radikal neuer Kreisprozesse Radikal neue thermodynamische Kreisprozesskonzepte verwenden zumeist zusätzliche Komponenten. Eine exemplarische Auswahl von am Bauhaus Luftfahrt untersuchten Technologien und abgeleiteten Flugantriebskonzepten ist schematisch dargestellt. Propulsion system concepts realising radically advanced cycles Selected examples of single technologies for radically advanced thermodynamic cycles and concepts resulting from well-considered combinations of these single technologies are schematically illustrated. Radically advanced thermodynamic cycles Compressor Turbine Conventional burner Pulsed detonation burner Piston engine Intercooler Recuperator Condenser Vapouriser

54 energy technologies & power systems Optimalbetrachtungen für das Propulsive- Fuselage-Flugzeug- design Die Nutzung des Wake-Filling-Prinzips durch eine Triebwerksintegration am Rumpfheck war ein Schlüsselmerkmal vieler Flugzeugkonzeptideen der vergangenen Jahre. Die Leistungsversorgung der grenzschichteinsaugenden (BLI) Fans am Rumpf solcher Propulsive-Fuselage-Konzepte (PFC) kann auf vielfältige Weise ausfallen. Im Rahmen des EU-H2020-Projektes CENTRELINE haben Forscher des Bauhaus Luftfahrt nun eine einheitliche Methode entwickelt, mit der PFC-Flugzeuge mit unterschiedlichen Antriebsstranganordnungen in ihren grundlegenden Eigenschaften optimiert und hinsichtlich ihrer Gesamteffizienz verglichen wer- den können. Dafür wurden für Antriebe mit BLI eine Formel für eine wichtige Leistungsmetrik, der so- genannte „Power Saving Coefficient“ (PSC), entwi- ckelt und die klassische Breguet-Coffin-Gleichung um den PSC-Parameter erweitert. Wichtig für die Berechnung des PSC von PFC- Flugzeugen ist die aerodynamische Güte der Kon- figuration aus Rumpf und BLI-Antrieb. Aus einer Analyse der besten aerodynamischen Designs aus dem früheren DisPURSAL- und dem aktuellen CENTRELINE-Projekt konnte eine direkte Gesetz- mäßigkeit hierfür abgeleitet werden. Hierdurch konnte parametrisch untersucht werden, wie wichtige Eigenschaften eines PFC-Flugzeuges optimal zu gestalten sind. Dabei zeigte sich, dass nicht nur die erzielbaren Kraftstoffeinsparungen, sondern auch das optimale Flugzeugdesign – etwa die optimale Leistungsverteilung zwischen dem Rumpfantrieb und den Haupttriebwerken unter dem Flügel – stark vom Verhältnis der Wirkungsgrade des BLI-Antriebsstranges zu jenen der Hauptan- triebe abhängen. In einem direkten Vergleich zwi- schen einem mechanischen und einem turboelektri- schen Szenario zur Leistungsübertragung wies die mechanische Variante ein deutlich höheres Einspar- potenzial auf. CENTRELINE – ConcEpt validatioN sTudy foR fusElage wake-ﬁlLIng propul- sioN intEgration This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 723242. Optimality Considerations for Propulsive Fuselage Aircraft Design Fuselage wake-ﬁlling propulsion integration has been a key attribute of many aircraft concept ideas unveiled over the last few years. Such- so-called Propulsive Fuselage (PFC) aircraft may feature a broad variety of possible power train arrangements for the Boundary Layer Ingesting (BLI) fuselage propulsor. As part of the EU-H2020 project CENTRELINE, researchers at Bauhaus Luftfahrt have now developed a uniﬁed method allowing the basic design optimisation and comparative efﬁciency evaluation of PFC aircraft with different power train paradigms. Therefore, an analytical formulation of a key BLI performance metric, the so-called power saving coefﬁcient (PSC), was developed, and the classic Breguet-Cofﬁn equation was extended to include the PSC as a parameter. A key factor for the PSC calculation is the aero- dynamic performance of the bare PFC conﬁguration, i.e. the fuselage and BLI propulsive device. By analysing the most reﬁned aero-designs from the previous DisPURSAL and current CENTRELINE EU projects, a common heuristic for bare PFC perfor- mance was derived. Using this heuristic, PFC air- craft design optimality was parametrically investi- gated. It was found that not only the achievable fuel beneﬁts, but also optimum PFC aircraft design – namely the optimum power split between the fuse- lage fan and the underwing main fans – strongly depend on the efﬁciency levels of the transmission system and the underwing non-BLI propulsors. In a direct comparison between a mechanical and a turbo-electric power transmission scenario, the higher fuel burn reduction potentials were found for the mechanical transmission.

Darstellung des CENTRELINE- Propulsive-Fuselage-Flugzeugkonzeptes Die computererzeugte Konzeptdarstellung zeigt das CENTRELINE- Propulsive-Fuselage-Flugzeug mit den beiden klassisch am Flügel installierten Triebwerken und dem zusätzlichen BLI-Antrieb am Heck des Rumpfes. Rendering of the CENTRELINE Propulsive Fuselage aircraft concept The computer-animated concept rendering shows the CENTRELINE Propulsive Fuselage aircraft with its classic underwing-podded main engines and the additional BLI propulsive device installed at the aft-fuselage. Untersuchung optimaler Kraftstoffeinsparpoten- ziale für PFC-Flugzeuge Die Abbildung zeigt die Kraftstoffeinspar- potenziale und die zugehörigen optimalen Designparameter für PFC-Flugzeuge. Die Einflüsse von Wirkungsgrad und Leistungsgewicht des Antriebsstranges zum Rumpf-Fan sind parametrisch erfasst. Study of optimum fuel burn reduction potentials for PFC aircraft The ﬁgure shows the PFC fuel saving potentials and corresponding optimum PFC aircraft design parameters. The results are presented parametrically against the efﬁciency and speciﬁc power of the fuselage fan power train. ] % [ n o i t c u d e r n r u b l e u f C F P m u m i t p O 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 FF power train specific power (P/WPT,FF) FF rel. power (Pdisc,FF/Pco,eff,tot) A/C gross weight at end of ∆R ( Power saving coefficient (PSC) end) 30 % 25 % 1.04 5 % 15 % PSC = 4 % Turbo-electric transmission scenario 20 % end = 1 1.01 1.02 1.03 86 55 Pdisc,FF/Pco,eff,tot = 40 % 35 % 7 % 6 % Mechanical transmission scenario 8 % 1.05 8 % P/WPT,FF = 50 kW/kg 10 kW/kg 5.0 kW/kg 3.0 kW/kg 2.0 kW/kg 1.5 kW/kg 1.0 kW/kg 0.8 kW/kg Study settings: Long-range air transport task (6500 nmi, 340 Pax) EIS 2035 technology 88 90 96 Efficiency of fuselage fan power train (ηPT,FF) [%] 94 92 98 100 Dr. Arne Seitz Co-lead Energy Technologies and Power Systems Rumpfgrenzschichteinsaugung bleibt einer der vielversprechendsten Ansätze für hochgradig integrierte Flugantriebe. Die inhärenten Vorteile sind vollständig kompatibel mit hocheffizienter Flügelaerodynamik, etwa durch natürliche bzw. hybride Strömungslaminarität oder selbsttrimmende Flügeleigenschaften, wie auch mit radikalen Triebwerkskreisprozessen. Besondere Synergien könnten sich beim Einsatz von Flüssigwasserstoff als Flugkraftstoff ergeben. Das Propulsive-Fuselage- Konzept sollte als ein mögliches Schlüsselelement in ganzheitlichen Technologiepaketen für zukünftige ultraeffiziente Flugzeuge betrachtet werden – insbesondere für die Langstrecke. Fuselage wake-ﬁlling propulsion integration remains one of the most promising ﬁelds for highly efﬁcient, tightly coupled propulsion-airframe design. Its beneﬁts are fully compatible with ultra-efﬁcient wing aerodynamics including hybrid or natural ﬂow laminarity and self-trimming wing properties as well as radically advanced aero engine cycle technologies. Particular synergies may arise when combined with liquid hydrogen fuel. Propulsive Fuselage technology should be regarded as a possible key item within an overall technology package for ultra-efﬁcient aircraft design – especially for the long-range market segment.

56 energy technologies & power systems Erste Abschätzung des theoretischen Potenzials von Flugzeugoberﬂächen als Wärmesenke Durch neue Antriebskonzepte, etwa mit (hybrid-) elektrischer Leistungsübertragung, erhöht sich die thermische Systembelastung des Flugzeuges drastisch. Eine Hochskalierung eines konventio- nellen Wärmemanagementsystems (WMS), das mit externen Radiatoren arbeitet, würde neben Zusatzgewichten zu großen Druckverlusten auf der Kaltseite der Radiatoren und damit zu einem hohen Luftwiderstand führen. Das Bauhaus Luftfahrt untersucht das Potenzial vorhandener Flugzeug- oberflächen als Wärmesenke mit Reduzierung des Luftwiderstandes des WMS. Die Nutzung vorhandener Flugzeugoberflächen zur Wärmeabfuhr könnte nicht nur zusätzlichen Widerstand vermei- den, sondern – wenn geschickt angeordnet – sogar zu aerodynamischen Verbesserungen führen. In einer ersten Potenzialabschätzung wurde die Wärmesenkenkapazität der Flugzeugoberflächen für verschiedene Flugzeuge vom kleinen Regional- flugzeug bis hin zum Großraumjet analysiert und mit den zu erwartenden Wärmelasten von elektri- schen Hybridantrieben verglichen. Das Verhältnis dieser beiden Größen (CQ) muss größer als eins sein, um einen stationären Betrieb zu ermöglichen. Es zeigt sich, dass kleinere Flugzeuge für Oberflä- chenkühlungskonzepte besser geeignet sind. Je nach Startgewicht müssen für ein vollelektrisches Flugzeug Oberflächentemperaturen zwischen 85 °C und 125 °C während des Starts an heißen Tagen erreicht werden, um CQ > 1 zu gewährleisten. Mit abnehmendem Grad der Leistungshybridisierung (HP) sinkt die erforderliche Oberflächentemperatur deutlich. Die Erwärmung der Oberflächen führt zu einer Reduzierung des Reibungswiderstandes, solange sie nur in Bereichen turbulenter Umströ- mung stattfindet. Die Quantifizierung dieses Effek- tes ist einer der nächsten Schritte, um den Vorteil einer Oberflächenkühlung gegenüber einem kon- ventionellen WMS-Konzept aufzuzeigen. Initial Evaluation of Aircraft Surface Heat Exchanger Potential The introduction of new propulsion concepts such as hybrid-electric propulsion is expected to increase the aircraft’s thermal load drastically. Upscaling a conventional Thermal Management System (TMS) that utilises ducted radiators to reject heat to ambient would result in large pressure losses on the cold side of the radiators and therefore drag. Bauhaus Luftfahrt investigates the potential of utilising existing aircraft surfaces as heat sink to reduce drag from the TMS. Using existing aircraft surfaces such as fuselage, wings, and nacelles for heat rejection could not only avoid a drag penalty, but might even lead to aerodynamic improvements. In a ﬁrst potential assessment, the heat sink capacity of the aircraft’s surfaces for different air- craft ranging from small regional planes to large wide-body jets was analysed and compared to expected heat loads from hybrid-electric propulsion systems. The ratio of the two (CQ ) has to be greater than unity to allow steady-state operation. Clearly, smaller aircraft are more eligible for surface cooling concepts. Depending on the maximum take-off weight, surface temperatures between 85 °C and 125 °C have to be achieved for a fully electric air- craft to ensure CQ > 1 during hot day take-off conditions, which are most critical due to the high ambient temperatures. If the degree of power hybridisation (HP) is decreased, the necessary sur- face temperature is lower. Heating of the surfaces results in a reduction in friction drag as long as the surface coolers are only located in turbulent ﬂow regimes. Quantifying this effect is one of the next steps to show the advantage of a surface cooling over a conventional TMS concept. Die Nutzung der Flug- zeugoberﬂäche als Wärmesenke führt zu einer aerodynamisch efﬁzienteren Wärme- abgabe. Utilising the aircraft surface as heat sink results in more efﬁcient heat rejection.

57 (ii) Potenzial der Flugzeugoberﬂächen als Wärmesenke bei Hot Day Take-Off (i) Verhältnis von Wärmesenkenkapazität zu benötigter Kühlleistung (CQ) eines vollelektrischen Flugzeuges für verschiedene Oberflächentemperaturen (Tsurf) (ii) Erforderliche Tsurf, um CQ = 1 für verschiedene Hybridisierungsgrade (HP) zu erreichen Heat sink potential of aircraft surfaces at hot day take-off (i) Ratio of heat sink capacity to r equired heat load (CQ ) of a fully electric aircraft for different surface temperatures (Tsurf ) (ii) Required Tsurf to achieve CQ = 1 for different degrees of hybridisation (HP ) 1.75 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 ] – [ Q C (i) Tsurf [K] = 320 Tsurf [K] = 360 Tsurf [K] = 400 400 390 380 370 360 350 340 ] K [ f r u s T Hp [–] = 1.00 Hp [–] = 0.75 Hp [–] = 0.50 0 2 MTOW [kg] 4 x105 0 2 MTOW [kg] 4 x105 Theoretischer Einﬂuss der Wandheizung/ -kühlung auf die Grenzschicht einer glatten ebenen Platte Dichte (ρ), Haftreibungskoeffizient (Cf), Haftreibungswiderstandskraft (Df) und Grenzschichtdicke von 99 % (δ) an einer beheizten (Th) im Vergleich zu einer unbeheizten (Tu) Wand; gültig für Rex = 106 –10 8 Theoretical impact of wall heating/cooling on a smooth ﬂat plate boundary layer Density (ρ), skin friction coefﬁcient (Cf ), skin friction drag force (Df ), and boundary layer 99 % thickness (δ) near a heated (Th ) compared to an unheated (Tu ) wall; valid for Rex = 10 6–10 8 ] % [ ∆ 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 ρ Cf Df δ 0.5 1.0 1.5 2.0 Th Tu

59 Die Systeme und ihre technologischen Potenziale im Flugzeug stehen im Fokus der Arbeiten im Forschungsschwerpunkt „System- und Flugzeugtechnologien“. Experten aus unter- schiedlichen Disziplinen wirken hier zusammen, um die Flugzeugefﬁzienz weiter zu verbessern, Emissionen zu reduzieren und neue Ansätze für die Flugzeugentwicklung zu erarbeiten. Die betrachteten Emissionen beinhalten klimatische Auswirkungen in Verbindung mit dem Kraft- stoffverbrauch des Flugzeuges sowie Lärm- bewertungen. Des Weiteren werden auch die Flugzeugsysteme detailliert untersucht und alternative Architekturen inklusive Sensitivitäten gegenüber Änderungen durch unkonventionelle Aspekte modelliert. So sind in dieser Forscher- gruppe wichtige Ergebnisse zur besseren Antriebs-Aerodynamik-Wechselwirkung und zur grundlegenden Integration hybrider Antriebe erzielt worden. 2000 1000 Research in aircraft systems and their technological potentials is the focus of the “Systems and Aircraft Technologies” research focus area. Experts from different disciplines collaborate together to target aircraft efﬁciency improvements, to develop new aircraft design approaches, and to reduce emissions. The emissions cover environmentally relevant impacts, which are closely linked to aircraft fuel consumption, as well as noise impacts. The aircraft systems themselves are also actively investigated and architectural alternatives are modelled, including sensitivities to the changes introduced by unconventional aspects. Important results for improved propulsion-airframe integration and integrated concepts for hybrid propulsion systems could be shown. 2000

60 systems & aircraft technologies Bewertung des Boardingprozesses eines Mittelstrecken- ﬂugzeuges Im LuFo-Projekt AVACON, welches neuartige Tech- nologien für Mittelstreckenflugzeuge untersucht, werden u. a. das Kabinendesign und dessen Aus- wirkungen auf den Passagierfluss detailliert bewer- tet. Für diesen Anwendungsfall hat das Bauhaus Luftfahrt PAXelerate entwickelt: Eine Open-Source-, 2D-agentenbasierte Passagierflusssimulation, die auf einem „günstigster Pfad“-A-Star-Algorithmus beruht. Für AVACON wurde PAXelerate um eine Schnittstelle für das CPACS-Datenformat erweitert, welches einen schnellen und interdisziplinären Datenaustausch ermöglicht. Funktionen von PAX- elerate beinhalten die Modifikation und Verifizie- rung der Kabine im Konfigurator sowie parallel verlaufende Simulationen und Parameterstudien. Im aktuellen Fall wird der Fluss von 252 Passa- gieren in einer Kabine mit zwei Gängen für mittlere Reichweiten während des Einsteigens simuliert. Die Ergebnisse zeigen erwartungsgemäß den Zusammenhang zwischen der Boardingzeit und der Anzahl von Interferenzen durch gepäckverstauende oder für andere Platz machende Passagiere. Im Vergleich zum klassenweise erfolgenden Boarding spart eine zufällige Reihenfolge ca. 1% an Zeit und das Einsteigen von Fenster zu Gang sogar bis zu 4 %, da diese Methoden die Passagiere besser verteilen und somit Interferenzen reduzieren. Die Tür, die mittiger im Flugzeug liegt, bietet ebenfalls Zeiteinsparungen von 1% durch kürzere Wege und eine bessere Aufteilung der Passagiere. Das Boarding mit mehreren Türen kann 20 % bis 40 % Zeit einsparen, rechtfertigt hier jedoch nicht den Aufwand mehrerer Fluggastbrücken. Insgesamt gilt, dass für eine Kabinenkonfiguration mit zwei Gängen das Boarding weniger kritisch als bei Kurzstreckenflugzeugen ist, da im Vergleich deutlich weniger Interferenzen auftreten. Kleine Verbesserungen durch alternative Boarding- strategien sind jedoch leicht möglich. Door A Lavatory Lavatory Lavatory Door A Zwei Gänge spalten den Passagierﬂuss bereits zu Beginn und reduzieren somit die Interferenzen deutlich. Splitting of the passenger ﬂow at the door enables a signiﬁcant reduction of interference. Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20A1702C gefördert. Evaluation of the Boarding Process of a Medium-range Aircraft In the LuFo project AVACON, which investigates new technologies for a medium-haul aircraft, the cabin design and its effects on the passenger ﬂow are evaluated in detail. For this purpose, Bauhaus Luftfahrt has developed PAXelerate: an open source, 2D agent-based passenger ﬂow simulation based on a “cheapest path” A-Star algorithm. For AVACON, PAXelerate was extended by an interface for the CPACS data format, enabling a fast and interdisciplinary data exchange. Features of PAX- elerate include modiﬁcation and veriﬁcation of the cabin in the conﬁgurator as well as batch simula- tions and parameter studies. In the current case, the ﬂow of 252 passengers in a twin-aisle cabin for medium ranges is simulated during boarding. As expected, the results show a correlation between boarding time and the number of interferences caused by passengers stowing their luggage or making room for other passengers. Compared to a class-wise boarding, a random order saves about 1% of time and a window-to-aisle boarding even up to 4 %, as these methods distribute passengers more even and thus reduce interference. The door located in the middle of the aircraft offers potential for a time reduction of 1% due to shorter distances and a better distribution of passengers. Boarding with multiple doors can save 20 % to 40 % of time, but does not justify the expense of multiple board- ing bridges. Overall, boarding is less critical for a twin-aisle cabin conﬁguration compared to a short- haul aircraft, as there is signiﬁcantly less interfer- ence. However, small improvements through alter- native boarding strategies are easily possible.

61 Front door Mid-rear door Rear door Ergebnisse der verschiedenen Simulationen Das Einsparpotenzial verschiedener Boardingmethoden in Abhängigkeit der gewählten Tür unterscheidet sich signifikant. Sequenzielles Einsteigen unterliegt einer gleichmäßigen Verteilung stets deutlich. Results of the different simulations The savings potential of different boarding strategies varies signiﬁcantly depending on the door selected. Sequential boarding is always clearly inferior to an even distribution. Compared to reference +10 % + 8 % + 6 % + 4 % + 2 % 0 % -2 % -4 % -6 % -8 % -10 % Class-wise Random Rear to front (RTF) Front to rear (FTR) Window to aisle (WTA) WTA & RTF WTA & Optimised order FTR (”Steffen“) Boarding procedure Beispielbild der automatisch erzeugten Kabinengeometrie Eine Schnittstelle mit der Grafiksoftware Blender ermöglicht eine automatisierte Darstellung von Kabinendesigns zur Visualisierung in 2D oder virtueller Realität. Basis für den Austausch ist ein intern entwickeltes CPACS-Plug-in für Blender. Example image of the automatically generated cabin geometry An interface with the graphics software Blender enables an automated rendering of cabin designs for 2D or virtual reality purposes. The basis for the exchange is an internally developed CPACS plug-in for Blender.

62 systems & aircraft technologies The Potential of Fuel Cells in Electric Subsystem Architectures Electrical aircraft subsystems have reached a level of development that is sufﬁcient for applications in civil aviation. Their use offers saving potentials by reducing and/or removing engine off-takes such as bleed air. A fuel cell can replace the aircraft’s auxiliary power unit (APU) and take over the power generation from the engines. It powers the sub- systems during the entire ﬂight, while the engine starter generators serve as an emergency system. The complete electriﬁcation of the subsystems changes the mass of the aircraft, and a fuel cell system is expected to be heavier than a conven- tional APU. Therefore, this new architecture leads to a compromise between the empty mass of the aircraft and the speciﬁc fuel consumption. The fuel savings potential of polymer electro- lyte membrane fuel cells (PEMFC) was investigated within the AVACON project for a medium-range aircraft. The results show that the fuel reduction due to the elimination of engine off-takes is large enough to compensate for the mass increase caused by the fuel cell system. However, it was found that an electrical subsystem architecture powered by engine-driven generators leads to simi- lar fuel savings. Thus, the advantages of a fuel cell are mainly in the reduction of noise and emissions on the ground. The next steps are the further optimi- sation of the PEMFC system and the investigation of the potential of solid oxide fuel cells. Among other things, the latter simplify the cooling system due to their higher operating temperature and allow easier use of waste heat. Potenzial von Brennstoffzellen in elektrischen Sub- systemarchitekturen Elektrische Flugzeugsubsysteme sind für die Anwendung in der zivilen Luftfahrt mittlerweile ausgereift und ihr Einsatz bietet Einsparpotenzial durch Vermeidung von Triebwerksentnahmen wie z. B. Zapfluft. Darüber hinaus kann auf die Strom- erzeugung am Triebwerk verzichtet und die Hilfs- gasturbine (APU) durch eine Brennstoffzelle ersetzt werden. Die Brennstoffzelle versorgt dann die Subsysteme mit Strom, während die Triebwerks- generatoren lediglich für den Notfall dimensioniert sind. Die vollständige Elektrifizierung der Subsys- teme verändert aber auch die Masse des Flugzeu- ges, und ein Brennstoffzellensystem wird voraus- sichtlich schwerer sein als eine herkömmliche APU. Daher führt diese neue Architektur zu einem Kom- promiss zwischen der Leermasse des Flugzeuges und dem spezifischen Treibstoffverbrauch. Das Treibstoffeinsparungspotenzial von Poly- mer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) wurde im Rahmen des AVACON-Projektes für ein Mittelstreckenflugzeug untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Treibstoffreduktion durch die Elimi- nierung der Triebwerksentnahmen groß genug ist, um die Massenzunahme durch das Brennstoffzellen- system auszugleichen. Jedoch wurde festgestellt, dass eine elektrische Subsystemarchitektur, welche durch Triebwerksgeneratoren angetrieben wird, zu einer ähnlichen Treibstoffeinsparung führt. Die Vor- teile einer Brennstoffzelle liegen also vor allem in der Lärm- und Emissionsreduzierung am Boden. Die nächsten Schritte sind die weitere Optimierung des PEMFC-Systems und die Untersuchung des Poten- zials von Festoxidbrennstoffzellen. Letztere verein- fachen unter anderem das Kühlsystem durch ihre höhere Betriebstemperatur und erlauben eine leich- tere Nutzung von Abwärme. Ziel des AVACON- Projektes ist die gemeinschaftliche Auslegung und Technologiebewer- tung für zukünftige Flugzeuge. The AVACON project aims at collaborative design and techno- logy assessment for future aircraft. Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20A1702C gefördert.

Kompromiss zwischen operativer Leermasse (OEM) und Blocktreibstoff Der Verzicht auf Leistungsentnahmen am Triebwerk reduziert den Kraftstoffverbrauch, während eine höhere Leermasse diesen erhöht. Die Integration elektrischer Subsysteme und der Brenn- stoffzelle ist hier ohne Verbrauchssteigerung möglich. 63 -1000 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 0 1000 2000 4000 3000 Baseline No off-takes ] % [ l e u f k c o l b n i e g n a h C Trade-off between operational empty mass (OEM) and block fuel Removing the engine off-takes reduces fuel consumption, while a higher operational empty mass increases it. The integration of electrical subsystems and the fuel cell is possible without increasing fuel consumption. Change in OEM [kg] Hydraulics – green circuit Hydraulics – yellow circuit Hydraulics – blue circuit Pneumatics Electrics Konventionelle Subsysteme versus vollelektrische Subsysteme Vereinfachte schematische Darstellung einer konventionellen, APU-angetriebenen Subsystemarchitektur gegenüber einer vollelektrischen Subsystemarchitektur, welche von einer Brennstoffzelle versorgt wird Conventional subsystems versus fully electric subsystems Simpliﬁed schematic representation of a conventional APU-driven subsystem architecture versus a fully electric subsystem architecture powered by a fuel cell Fabian Peter Lead Systems and Aircraft Technologies Die Perspektive von Wasserstoff als primärem Energieträger in Flugzeugen, aber auch die zunehmende Konzentration auf Emissionsreduktion am Flughafen steigern die Bedeutung der Brennstoffzellentechnologie. Daher ist es von hoher Wichtigkeit, Brennstoffzellen mit den notwendigen Sensitivitäten bereits im konzeptionellen Flugzeugentwurf zu integrieren. Mit den aktuellen Randbedingungen ist ein Einsatz als Primärantrieb für Kleinflugzeuge bis hin zur Anwendung auf der Langstrecke für die Subsystemversorgung oder Teilantriebslasten realistisch. Eine zentrale Rolle nimmt hier das Thermalmanagement ein, dessen Modellierung derzeit mit der der Brennstoffzelle verbunden wird. The perspective of hydrogen as a primary energy source in aircraft, but also the increasing focus on emission reductions at airports, increase the importance of fuel cell technology. Therefore, it is of high importance to integrate fuel cells with the necessary sensitivities already in the conceptual aircraft design. With current boundary conditions, the use of fuel cells as primary propulsion for small aircraft up to long-distance applications for subsystem supply or partial propulsion loads is realistic. Thermal management has a central role in this regard, and its modelling is currently being combined with that of the fuel cell.

66 facts & ﬁgures Finanzen Finances Im Geschäftsjahr 2019 sind die Erträge des Bauhaus Luft- fahrt geringfügig um 1,3 % auf 5,2 Millionen EUR gestiegen. Die Zuwendungen des Freistaates Bayern und die Mitglieds- beiträge sind weiterhin konstant und betragen insgesamt 2,3 Millionen EUR. Die Drittmitteleinnahmen haben sich im Jahr 2019 um +125.400 EUR (+10,9 %) auf 1,7 Millionen EUR erhöht. Diese Einnahmen sind auf Arbeiten in 15 Forschungsprojekten zurückzuführen, die von der Europäischen Union, vom Bund oder dem Freistaat Bayern gefördert werden. Der Anstieg ist vor allem auf das durch Bayern geförderte Ein-Jahres- Forschungsprojekt OBUAM zurückzuführen. Bei den Projekten mit den Industriepartnern sind die Umsätze um -53.000 EUR (-5,5 %) auf 1,2 Millionen EUR zurückgegangen. Anfang 2019 konnten vier neue Partner- projekte definiert und vertraglich vereinbart werden. Für das Jahr 2020 rechnet das Bauhaus Luftfahrt mit keinen wesentlichen Veränderungen auf der Ertragsseite. Lediglich bei den Drittmitteleinnahmen werden erhebliche Veränderungen erwartet, da zwei EU-Projekte mit größeren Zuwendungsvolumina (SUN-to-LIQUID, CENTRELINE) in 2020 auslaufen und neue LuFo-Projekte starten werden. In the ﬁscal year 2019, earnings of Bauhaus Luftfahrt increased by 1.3 % to 5.2 million euros. The grants from the Free State of Bavaria and the membership fees have remained constant at 2.3 million euros. Funding from third-party projects increased by +125,400 euros (+10.9 %) to 1.7 million euros in 2019. These revenues result from work in 15 research projects funded by the European Union, the German Federal Government, or the Free State of Bavaria. The increase is primarily caused by the one- year research project OBUAM funded by the Free State of Bavaria. Revenues from industrial partners decreased by -53,000 euros (-5.5 %) to 1.2 million euros. At the be- ginning of 2019, four new partner projects were deﬁned and contractually agreed. For the year 2020, Bauhaus Luftfahrt does not anti- cipate any major changes in earnings. Signiﬁcant changes are expected in funding from third-party projects, since two EU projects with larger funding volumes (SUN-to- LIQUID, CENTRELINE) will expire in 2020, and new LuFo projects will start. € 5,500,000 5,000,000 4,500,000 4,000,000 3,500,000 3,000,000 2,500,000 2,000,000 1,500,000 1,000,000 500,000 0 2017 2018 2019 Forschungsaufträge Industrie Industry research contracts Drittmittelförderprojekte national/EU Third-party funded projects national/EU Mitgliedsbeiträge Membership fees Zuschüsse Freistaat Bayern/Spenden Grants from the Free State of Bavaria/donations

67 Personal Personnel Der Personalbestand hat sich im Jahr 2019 gegenüber dem Niveau des Vorjahres leicht erhöht. The number of employees in 2019 has increased slightly compared to the previous year. Das Bauhaus Luftfahrt beschäftigte zum Jahresende At the end of the year, Bauhaus Luftfahrt had 52 emp- 52 Mitarbeiter, davon 39 Wissenschaftler. loyees, 39 of whom were scientists. Im Jahr 2019 konnte eine Promotion erfolgreich beendet werden, sodass insgesamt 18 Mitarbeiter eine abgeschlos- sene Promotion aufweisen. Der Anteil der Wissenschaft- lerinnen am Bauhaus Luftfahrt betrug im Jahr 2019 26 %, der Frauenanteil am Bauhaus Luftfahrt insgesamt 37 %. Die Anzahl der Studierenden ist im Jahr 2019 im Ver- gleich zu den Vorjahren deutlich gestiegen. Im Jahresverlauf waren 34 Studierende und ein Stipendiat aus 20 Nationen als wissenschaftliche Hilfskräfte, Praktikanten oder zur Erstellung ihrer Studienarbeiten am Bauhaus Luftfahrt tätig. Insgesamt waren 95 Personen aus 23 Nationen am Bauhaus Luftfahrt beschäftigt. Wissenschaftliche Mitarbeiter und studentische Aus- hilfskräfte unterschiedlicher Fachrichtungen zu gewinnen, um die interdisziplinäre Zusammenarbeit am Bauhaus Luftfahrt weiter auszubauen, bleibt der Fokus des Recrui- tingprozesses auch im Jahr 2020. In 2019, one doctorate was successfully completed, so that a total of 18 employees have completed their doctorates. The share of female scientists at Bauhaus Luftfahrt in 2019 was 26 %, and the share of women at Bauhaus Luftfahrt as a whole was 37 %. The number of students increased signiﬁcantly in 2019 compared to previous years. In the course of the year, 34 students and one scholarship holder from 20 nations worked at Bauhaus Luftfahrt as research assistants, interns, or to realise their student research projects. A total of 95 people from 23 nations were employed at Bauhaus Luftfahrt. Recruiting research assistants and student assistants from various disciplines to further support interdisciplinary cooperation and exchange at Bauhaus Luftfahrt will remain the focus of the recruiting process in 2020. Mitarbeiter (am Jahresende) Employees (end of the year) Executives Scientists Administration Students Munich Aerospace scholarship holders 2017 2 36 14 10 3 2018 1 36 13 9 1 2019 1 39 13 19 1

68 facts & ﬁgures Zeitschriftenbeiträge Journal Contributions 19.12.2019 Aerospace | Vol. 7, No. 1, p. 1, DOI 10.3390/aerospace7010001 Assessment of Aircraft Surface Heat Exchanger Potential Autoren/authors: H. Kellermann, A. Habermann, M. Hornung 02.12.2019 01.11.2019 01.09.2019 27.05.2019 21.05.2019 CEAS Aeronautical Journal | pp. 1–23, DOI 10.1007/s13272-019-00434-w Performance bookkeeping for aircraft conﬁgurations with fuselage wake-ﬁlling propulsion integration Autoren/authors: A. Habermann, J. Bijewitz, A. Seitz, M. Hornung Journal of Air Transport Studies | Vol. 10, No. 1, pp. 1–38 Impact Of Airline Business Models, Market Segments And Geographical Regions On Aircraft Cabin Conﬁgurations Autoren/authors: O. Oguntona, K. Ploetner, M. Urban, R. Rothfeld, M. Hornung Transport Policy | Vol. 81, pp. 148–162, DOI 10.1016/j.tranpol.2019.05.021 Analysis of European airports’ access and egress travel times using Google Maps Autoren/authors: R. Rothfeld, A. Straubinger, A. Paul, C. Antoniou CEAS Aeronautical Journal | DOI 10.1007/s13272-019-00399-w Evaluation of piston engine modes and conﬁgurations in composite cycle engine architectures Autoren/authors: M. Nickl, S. Kaiser Transportation Research Record | DOI 10.1177/0361198119843858 Exploring Preferences for Transportation Modes in an Urban Air Mobility Environment: Munich Case Study Autoren/authors: M. Fu, R. Rothfeld, C. Antoniou

70 facts & ﬁgures Konferenzbeiträge Conference Contributions 06.11.2019 04.11.2019 27.10.2019 07.10.2019 01.10.2019 30.09.2019 30.09.2019 30.09.2019 30.09.2019 30.09.2019 AMEC 2019 | Vienna North Atlantic air transport market analysis with system dynamics Autorin/author: M. Urban ISES Solar World Congress 2019 | Santiago Solar-Driven Thermochemical Production of Sustainable Liquid Fuels from H2O and CO2 in a Heliostat Field Autoren/authors: M. Romero, J. Gonzalez-Aguilar, A. Sizmann, V. Batteiger, C. Falter, A. Steinfeld, S. Zoller, S. Brendelberger, D. Lieftink 22nd Intelligent Transportation Systems Conference | Auckland The Prospects of Urban Air Mobility in Zurich, Switzerland Autoren/authors: M. Balac, R. Rothfeld, S. Hoerl NATO AVT-323 RSY Hybrid/Electric Aero-Propulsion Systems for Military Applications | Trondheim Electric Flight Map Autoren/authors: J. Kaiser, H. Kuhn 14th SDEWES Conference 2019 | Dubrovnik Spatially explicit assessment of local HTL potential from urban waste streams in Europe Autoren/authors: T. Horschig, A. Habersetzer, C. Penke, A. Jaumann, A. Brosowski Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019 | Darmstadt Long-Term Application Potential of Urban Air Mobility Complementing Public Transport: an Upper Bavaria Example Autoren/authors: K. Ploetner, C. Al Haddad, C. Antoniou, F. Frank, M. Fu, S. Kabel, C. Llorca, R. Moeckel, A. Moreno Chou, A. Pukhova, R. Rothfeld, M. Shamiyeh, A. Straubinger, H. Wagner, Q. Zhang Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019 | Darmstadt Boarding Process Assessment of the AVACON Research Baseline Aircraft Autoren/authors: M. Engelmann, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019 | Darmstadt Evaluation of the market potential and technical requirements for thin-haul air transport Autoren/authors: A. Paul, W. Grimme, G. Atanasov, J. van Wensveen, F. Peter Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019 | Darmstadt Emission reduction potential across the long-haul network Autoren/authors: A. Paul, M. Engelmann, L. Koops, D. Steinweg, F. Troeltsch, J. van Wensveen, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019 | Darmstadt Assessment of a fuel cell-powered full-electric sub-system architecture for the AVACON research baseline aircraft Autoren/authors: J. van Wensveen, F. Peter, T. Rau, M. Hornung

71 Konferenzbeiträge Conference Contributions 30.09.2019 30.09.2019 25.09.2019 25.09.2019 24.09.2019 22.09.2019 22.09.2019 17.09.2019 Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019 | Darmstadt Future Perspectives of Aviation for Urban and Regional Mobility Autor/author: J. Kaiser Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019 | Darmstadt Preliminary weight estimation for different actuator types for landing gear retraction Autoren/authors: U. Kling, M. Hornung 2nd International Conference on Artiﬁcial Intelligence for Industries | Laguna Hills Modelling a Data Landscape for Intelligent Systems in Industry 4.0 Autor/author: M. Hoeser 5. HTP-Fachforum „Hydrothermale Prozesse zur stofﬂichen und energetischen Wertschöpfung“ | Leipzig The socio-economic beneﬁts of hydrothermal technologies: Estimating spatial effects of HTL production plants on job creation Autoren/authors: A. Habersetzer, C. Penke SAE 2019 AeroTech Europe | Bordeaux Landing Gear Integration into Aircraft Structure in Early Design Stage Autoren/authors: U. Kling, M. Hornung 24th ISABE Conference | Canberra Design Trade Studies for Turbo-Electric Propulsive Fuselage Integration Autoren/authors: F. Troeltsch, J. Bijewitz, A. Seitz 24th ISABE Conference | Canberra Conceptual Design of Ultra-Efﬁcient Cores for Mid-Century Aircraft Turbine Engines Autoren/authors: T. Groenstedt, C. Xisto, V. Sethi, A. Rolt, N. García Rosa, A. Seitz, D. Missirlis, J. Whurr, N. Tantot, M. Dietz, A. Lundbladh 11th International Conference on Knowledge Engineering and Ontology Development | Vienna Challenges of Modelling and Evaluating the Semantics of Technical Content Deployed in Recommendation Systems for Industry 4.0 Autoren/authors: J. Lehmann, M. Shamiyeh, S. Ziemer 17.09.2019 11th International Conference on Knowledge Management and Information Systems | Vienna Towards Data Awareness by Socio-Technological Knowledge Management Autoren/authors: A. Heussner, M. Hoeser, S. Ziemer

72 facts & ﬁgures Konferenzbeiträge Conference Contributions 17.09.2019 15.09.2019 11.09.2019 11.09.2019 11.09.2019 03.09.2019 03.09.2019 03.09.2019 01.09.2019 01.09.2019 Ökobilanzwerkstatt 2019 | Stuttgart Ökobilanzierung einer erneuerbaren Wasserstoffversorgung für die Luftfahrt Autoren/authors: C. Penke, C. Falter, V. Batteiger 22nd International Conference on Model Driven Engineering Languages and Systems | Munich Modelling adaptive learning agents for domain knowledge transfer Autor/author: M. Hoeser mobil.TUM 2019 | Munich Identiﬁcation of Strategies How Urban Air Mobility Can Improve Existing Public Transport Networks Autorinnen/authors: A. Straubinger, M. Fu mobil.TUM 2019 | Munich Analysis of low-cost air transport markets with system dynamics Autorin/author: M. Urban mobil.TUM 2019 | Munich Analysis of Urban Air Mobility’s Transport Performance in Munich Metropolitan Region Autoren/authors: R. Rothfeld, M. Fu, C. Antoniou 9th EASN International Conference on Innovation in Aviation & Space | Athens Optimality Considerations for Propulsive Fuselage Power Savings Autoren/authors: A. Seitz, A. Habermann, M. van Sluis 9th EASN International Conference on Innovation in Aviation & Space | Athens Recent Advances in Fuselage Wake-ﬁlling Propulsion Integration Autor/author: A. Seitz 9th EASN International Conference on Innovation in Aviation & Space | Athens Assessment of Aircraft Surface Heat Exchanger Potential Autoren/authors: H. Kellermann, A. Habermann, M. Hornung 9th International Conference on Life Cycle Management | Poznan Holistic environmental evaluation of a fully integrated HTL-based fuel production chain Autoren/authors: C. Penke, A. Roth LCM 2019 | Poznan LCIA of combined fuel and protein production from microalgal biomass Autor/author: B. Portner

73 Konferenzbeiträge Conference Contributions 02.07.2019 02.07.2019 02.07.2019 02.07.2019 02.07.2019 12.06.2019 02.06.2019 27.05.2019 27.05.2019 23.05.2019 23rd ATRS World Conference | Amsterdam Characteristics of Potential User Groups of New Forms of Mobility Using the Example of Urban Air Mobility Autoren/authors: U. Kluge, A. Paul, K. Ploetner 23rd ATRS World Conference | Amsterdam An Overview of Current Research and Developments in Urban Air Mobility – Setting the Scene for UAM Introduction Autoren/authors: A. Straubinger, R. Rothfeld, M. Shamiyeh, K.-D. Buechter, J. Kaiser, K. Ploetner 23rd ATRS World Conference | Amsterdam Pro-environmental behaviour in air travel: Is there a market? Autoren/authors: A. Habersetzer, U. Kluge 23rd ATRS World Conference | Amsterdam Airline Revenues 2035: Revenue Generation and Business Models in Commercial Aviation – A Scenario Study Autoren/authors: J. Michelmann, A. Paul, A. Becker, C. Schneider, G. Tay, M. Hornung 23rd ATRS World Conference | Amsterdam Global airline business model evolution: Cluster analysis applied to time series data Autoren/authors: M. Urban, M. Harnischfeger, M. Hornung 2019 ITEA Annual Conference and School on Transportation Economics | Paris Why Does the Spatial Distribution of Income Matter for UAM Introduction? Autoren/authors: A. Straubinger, E. Verhoef, H. de Groot ICAF 2019 | Krakow Evaluating the Inﬂuence of SHM on Damage Tolerant Aircraft Structures Considering Fatigue Autoren/authors: D. Steinweg, M. Hornung 27th European Biomass Conference and Exhibition | Lisbon Global Assessment of Sustainable Land Availability for Bioenergy and Food Production Autoren/authors: F. Riegel, A. Roth, V. Batteiger 27th European Biomass Conference and Exhibition | Lisbon Potentials for efﬁciency improvement through process integration of HTL with hydrothermal gasiﬁcation Autoren/authors: C. Penke, C. Falter, A. Roth, F. Vogel DGSD Annual Meeting 2019 | Brunswick Analysis of low-cost carrier operations in long-haul air transport markets: A system dynamics approach Autorin/author: M. Urban

74 facts & ﬁgures Konferenzbeiträge Conference Contributions 04.04.2019 28.03.2019 06.02.2019 13.01.2019 4th NEST Conference | Lisbon Transition to where? Visions and pathways for sustainable aviation Autor/author: A. Habersetzer Emission Free & Electric Flight Symposium | Stuttgart Future Perspectives of Aviation for Urban and Regional Mobility Autor/author: K. Ploetner 5th International Conference on Turbomachinery Manufacturing | Aachen Future of Aviation – Innovations and Perspectives Autor/author: J. Kaiser 2019 TRB Annual Meeting | Washington, D.C. Exploring Preferences for Transportation Modes in an Urban Air Mobility Environment: a Munich Case Study Autoren/authors: M. Fu, R. Rothfeld, C. Antoniou

75 Technische Berichte (öffentlich zugänglich) Technical Reports (publicly available) 22.05.2019 Deliverable | CAMERA, pp. 64, Grant Agreement No. 769606 Mobility Report 1 Autoren/authors: M. Biscotto, A. Cook, I. Gómez, G. Gurtner, P. Hullah, U. Kluge, P. López, D. Martínez, C. Muccitelli, A. Paul, D. Valput 30.03.2019 Deliverable | Mobility4EU, pp. 6, Grant Agreement No. 690732 European Transport and Mobility Forum Autoren/authors: M. Urban et al. 29.03.2019 Deliverable | Mobility4EU, pp. 23, Grant Agreement No. 690732 Recommendations towards the different transport stakeholder groups Autoren/authors: M. Urban et al. 27.02.2019 Deliverable | Mobility4EU, pp. 66, Grant Agreement No. 690732 European Action Plan for Transport (Visualisation) Autoren/authors: M. Urban et al. 30.01.2019 Deliverable | Mobility4EU, pp. 42, Grant Agreement No. 690732 Stakeholder consultation conference Autorin/author: M. Urban

76 facts & ﬁgures Abschlussarbeiten Theses 28.11.2019 03.09.2019 30.08.2019 29.07.2019 07.06.2019 31.05.2019 24.04.2019 Master Thesis | Technical University of Munich Dynamic Modelling of a Novel Cooling Concept Using Fuel as Heat Sink for Hybrid-Electric Aircraft Autor/author: T. Wunderlich Master Thesis | Technical University of Munich Three-Dimensional Numerical Investigation of the Effects of Variation in Conﬁguration of Components in a Propulsive Fuselage Concept Autor/author: A. Gokhale Master Thesis | Furtwangen University Exploring the usage of social media data to forecast future airlines’ ﬁnancial performance: the case of Delta Airlines Autorin/author: P. V. Anh Master Thesis | Technical University of Munich Analysis of Key Factors Inﬂuencing Passenger Urban Air Mobility Market Entry Autorin/author: A. Campos Master Thesis | Technical University of Munich Aerodynamic Design Space Exploration of a Propulsive Concept Using Computational Fluid Dynamics Autorin/author: R. Zahn Master Thesis | Technical University of Munich Modelling of Airport Dynamics and the Interaction between Airports and Airlines Autor/author: A. Mayrhofer Master Thesis | Technical University of Munich Environmental Evaluation of Urban Air Mobility Operation Autorin/author: A. Pukhova 06.03.2019 Dissertation | Technical University of Munich Conceptual Design Methods of Electric Power Architectures for Hybrid Energy Aircraft Autor/author: P. Vratny

80 facts & ﬁgures Impressum Imprint Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2019 Herausgeber /Publisher Bauhaus Luftfahrt e. V. Willy-Messerschmitt-Str. 1, 82024 Taufkirchen www.bauhaus-luftfahrt.net Redaktion /Editor Florian Riegel Autoren /Authors Dr. Valentin Batteiger Dr. Doris Empl Marc Engelmann Dr. Christoph Falter Dr. Anne Göhler-Stroh Dr. Antoine Habersetzer Prof. Dr. Mirko Hornung Dr. Jochen Kaiser Hagen Kellermann Dr. Lily Koops Dr. Holger Kuhn Dr. Jos Lehmann Ivana Matkovic Markus Nickl Dr. Annika Paul Christina Penke Fabian Peter Patrycja Plochowitz Dr. Kay Plötner Benjamin Portner Florian Riegel Dr. Arne Seitz Dr. Andreas Sizmann Dominik Steinweg Florian Troeltsch Jasper van Wensveen Bildnachweise /Picture credits Titelseite: istock (jamielawton), DyhrGrieshaber, S. 4: S. Ramadier, S. 6: Jan Greune, S. 10/11: Tobias Tschepe, S. 14/15: istock (Pom669), DyhrGrieshaber, S. 16/17: Bauhaus Luftfahrt e. V., Jan Greune, S. 18/19: flaticon (freepik, itim2101), DyhrGrieshaber, Jan Greune, S. 20/21: Bauhaus Luftfahrt e. V., Jan Greune, S. 22/23: istock (Pom669), DyhrGrieshaber, Jan Greune, S. 24: Dreamstime.com (Dezzor), S. 28: Adobe Stock (korkeng), S. 31: Jan Greune, S. 32/33: istock (Pom669), DyhrGrieshaber, S. 35: Jan Greune, S. 36: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V., Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 38/39: Shutterstock (Alexandros Michailidis), flation (Encalyp, freepik, monkik), S. 40/41: istock (Pom669), DyhrGrieshaber, Jan Greune, S. 42: Adobe Stock (Jiri Hera), S. 44/45: Shutterstock (Alexander Gold), Bauhaus Luftfahrt e. V., DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH, S. 47: Instituto IMDEA Energía, Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 49: Karlsruher Institut für Technologie (Projekt-, Prozess- und Qualitätsmanagement), Jan Greune, S. 50/51: istock (Pom669), DyhrGrieshaber, Jan Greune, S. 55: Bauhaus Luftfahrt e. V., Jan Greune, S. 56: Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 58/59: istock (Pom669), DyhrGrieshaber, Jan Greune, S. 61: Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 63: Jan Greune, S. 64/65: Jan Greune Konzept, Layout, Graﬁken /Concept, layout, graphics Jutta Dyhr Gerd Grieshaber GbR, Neufahrn b. Freising, www.dyhrgrieshaber.de Druck /Print G. Peschke Druckerei GmbH, Parsdorf b. München, www.peschkedruck.de Auﬂage /Circulation 700 Exemplare /700 copies Aus Gründen der Lesefreundlichkeit verzichten wir auf die explizite Nennung der weiblichen Form. Wenn zum Beispiel von Mitarbeitern die Rede ist, sind selbstverständlich auch die Mitarbeiterinnen gemeint.